饮用氢水时，氢气被吸收的过程接近水的吸收过程。由于氢分子比水分子小且没有极性，氢气被消化道吸收的速度高于水。氢水内氢气的主要吸收部位是胃，人饮用氢水后，氢气在10~20分钟内可以大部分在胃内被吸收进入血液，少部分随着胃排空进入小肠，在小肠被吸收一部分，极少能维持到大肠。经常得到饮用氢水对便秘和结肠疾病改善效果的反馈，原因可能有两点：一是进入大肠的少量氢气也可能会发挥比较大的作用;二是氢气本身对肠道蠕动的促进作用，这一因素对消化道疾病的影响不可小觑。消化道吸收的氢气会沿着胃和十二指肠的静脉一门静脉→肝脏血窦→肝静脉→下腔静脉→右心房→右心室→肺动脉→肺组织的血液循环通路在机体内扩散，最终在肺内气体交换过程中大量释放到体外。剩余部分经过肺静脉返回左心房，经过大循环进入大脑等全身组织器官发挥作用。饮用氢水后氢气浓度最高的器官是上消化道和肝脏门脉系统，单从剂量角度考虑可能饮用氢水对肝脏疾病的改善效果更理想。
氢水中氢气的张力比较大，饮用后快速在消化道内吸收，血液内氢气浓度同样快速增加。吸收速度快导致氢气在体内的峰值时间比较短，研究数据表明，成人饮用300毫升饱和氢水后，呼吸监测到氢气浓度在10~15分钟达到高峰，摄入氢水量越多，呼出气体中氢气浓度也越高。此后氢气浓度下降，60~150分钟恢复到初始水平。下内章人教授发现，饮用氢水后，72%的氢气随呼吸排出体外，0.1%的氢气通过全身皮肤排出体外，据此推测，20%以上的氢气被人体代谢消耗。有研究发现，饮用300毫升0.8ppm(质量比)的氢水，呼出气的氢气浓度可达36ppm(体积比);饮用300毫升1.2ppm的氢水，呼出气的氢气浓度可达56.8ppm。饮用过饱和浓度的氢水则吸收速度更快，有少数年轻人饮用过饱和氢水会有一过性短暂头晕，可能因为血液内氢气浓度高导致氧分压相对不足，年轻人吸收和循环功能好，氢浓度峰值更高，产生这样的影响更明显。
饮用氢水和吸入氢气后，氢气在体内的运行存在很多不同。饮用氢水后血液内氢气浓度增加速度快但维持时间短;吸入氢气后血液内氢气浓度上升慢，维持时间与持续吸入的时间有关。在总摄取量方面，饮用氢水的摄取量是固定的，氢水内氢气可完全被机体吸收，但总剂量有限;氢气吸入的摄取量与浓度、吸入时间有关，吸入浓度越高，时间越长，则摄取量越高。
静脉注射氢气生理盐水的情况与氢水饮用的情况接近，氢水注射到静脉后，随着血流返回右心房，经过小循环和肺后返回左心房，经过大循环扩散到全身发挥作用。在人体试验中，静脉注射500毫升氢气生理盐水30分钟，动脉血和静脉血中氢气浓度约在15分钟升高到峰值，而皮肤释放的氢气在30分钟内一直上升。停止注射后，血液氢气浓度和皮肤释放均立刻下降。
