紅細胞過早地被破壞可以發生在血管外或血管內。血管外溶血(extravascular hemolysis)即紅細胞被脾、肝中的巨噬細胞(單核一巨噬細胞系統)吞噬後破壞。血管內溶血(intravascular hemolysis)是紅細胞直接在血循環中破裂，紅細胞的內容(血紅蛋白)直接被釋放入血漿。
一、血管外溶血
紅細胞在巨噬細胞中破壞後，血紅蛋白被釋放出來，就在巨噬細胞內分解成珠蛋白(globin)和血紅素(hematin),血紅素分解爲鐵，一氧化碳，碳氧血紅蛋白(Carboxyhemoglobin)，膽綠素(biliverdin)，後者最後變成膽紅素(bilirubin)被血漿運至肝臟。在肝內，膽紅素與葡萄糖醛酸結合爲直接膽紅素。未與葡萄糖醛酸結合的膽紅素稱間接膽紅素。膽紅素與葡萄糖結合爲直接膽紅素。未與葡萄糖醛酸結合的膽紅素稱間接膽紅素。膽紅素葡萄糖醛酸複合物經膽汁排入小腸，分解爲糞尿膽原。糞尿膽原可被吸收入血液而從尿內排出。血管外溶血可發生於脾、肝或骨髓的巨噬細胞。脾臟能最有效地清除有輕微損傷的紅細胞，因在脾索中有獨特的循環結構。肝臟血流量超過脾臟血流量，它是除去和吞噬廣泛損傷紅細胞的重要部位。IgM和補體二者致敏的紅細胞，很容易在肝臟被有C3b受體的肝巨噬細胞除去。反之，IgM致敏而沒有補體成分附着的紅細胞，其生存期正常，因爲巨噬細胞沒有IgG致敏的紅細胞，可激活或不激活補體，因紅細胞表面IgG的許多分子只與一個補體分子結合。而IgG致敏的紅細胞，即使沒有補體也能被巨噬細胞清除。IgG致敏的紅細胞主要在脾臟被巨噬細胞(有IgG-Fe受體，還有C3b受體)清除。IgG和補體二者同時致敏的紅細胞的清除較迅速，因爲吞噬作用受二種受體介導。所以血管外溶血的部位和程度決定於抗體的種類和有無補體存在。骨髓巨噬細胞清除有內在異常的成熟的前體細胞，導致無效紅細胞生成，如地中海貧血和巨幼細胞性貧血。遺傳性紅細胞膜、血紅蛋白和細胞內酶缺陷等伴發的溶血性貧血，都有一定程度的無效紅細胞生成。
二、血管內溶血
發生血管內溶血時，血紅蛋白直接被釋放入血漿，與血漿中的結合珠蛋白(haptoglobin)―一種α2糖蛋白一結合，由於其分子較大，故不被腎臟排泄而被肝細胞攝取，最後變成膽紅素。溶血較多時血漿中結合珠蛋白的濃度顯著降低或消失，不過血漿中結合珠蛋白濃度的高低也受到其他多種因素的影響。
當血漿內結合珠蛋白全部與血紅蛋白結合後，從遊離血紅蛋白分解出的血紅素能與血結素(hemopexin)-一種β糖蛋白-結合，然後也被肝細胞攝取。大量溶血時血漿血結素的濃度亦降低。
血漿中的遊離血紅蛋白被氧化成高鐵血紅蛋白(methemoglobin)，再分解爲高鐵血紅素(methematin),然後與血漿中白蛋白結合成高鐵血紅白蛋白(methemalbumin)，最後與血結素結合而被細胞攝取。血漿如有較多遊離的血紅蛋白, 血漿可呈粉紅色，但由於高鐵血紅白蛋白呈棕色，高鐵血紅蛋白呈褐色，因此其粉紅色被掩蓋而不易看出。
當血漿中的蛋白質與血紅蛋白的結合已達飽和時，未結合的血紅蛋白由於分子較小(分子量66 000)出現於尿內，使尿色變紅。高鐵血紅蛋白亦可出現於尿內，使尿呈褐色，高鐵血紅白蛋白由於分子大、不出現於尿內。
尿中血紅蛋白被腎小管上皮吸收後分解的鐵以鐵蛋白及含鐵血黃素的形式貯積於腎小管上皮細胞內，隨上皮細胞脫落而自尿排出，以尿沉渣作亞鐵氰化鉀染色，可見到上皮細胞內有藍色的含鐵血黃素顆粒，含鐵血黃素尿常出現於慢性血管內溶血，如陣發性睡眠性血紅蛋白尿及機械性溶血性貧血。
