Hệ thống tuần hoàn kép là hệ thống tuần hoàn trong đó máu sau khi được ô-xy hóa sẽ trở lại tim lần thứ hai trước khi được phân phối đến các mô trong cơ thể. Do đi qua tim hai lần nên áp lực của máu và tốc độ dòng chảy rất cao. Hệ thống tuần hoàn kép gồm hai vòng tuần hoàn nhỏ hơn là vòng tuần hoàn phổi và vòng tuần hoàn hệ thống. Lưỡng cư, Bò sát, Chim và Thú có hệ thống tuần hoàn kép như thế này.
Vòng tuần hoàn phổi: Máu sau khi bị khử ô-xy được đưa vào tâm nhĩ phải ở trong tim, từ đây máu được chuyển sang tâm thất phải và được bơm lên phổi qua động mạch phổi. Ở phổi, máu giải thoát khí CO2 và hấp thụ ô-xy rồi quay trở lại tim qua tĩnh mạch phổi. Vòng tuần hoàn hệ thống: máu chảy dưới áp lực cao từ tâm thất trái qua động mạch chủ để phân phối đi khắp cơ thể. Sau khi trao đổi chất với các tế bào trong mô, máu trở lại tâm nhĩ phải qua tĩnh mạch chủ trên và tĩnh mạch chủ dưới kết thúc vòng tuần hoàn.