线粒体是细胞内进行有氧呼吸的主要场所。其独特的结构和一系列呼吸链酶的协同作用，使得线粒体能将电子和质子在基质和膜间隙之间传递，由此产生足够多的电势。这种能量转变通过线粒体合酶，将电势能转化为高能的ATP。合成ATP的过程可以分为三个阶段。

首先，在细胞质基质中，一个分子的葡萄糖分解成两个分子的丙酮酸，并释放出4个[H]。此过程释放出的能量中，一部分用于合成少量ATP，同时产生少量能量。反应式为：C6H12O6酶→2丙酮酸 4[H] 少量能量。

其次，丙酮酸进入线粒体基质，两分子丙酮酸和6个水分子中的氢全部脱下，共脱下20个[H]。丙酮酸被氧化分解成二氧化碳。此过程中释放少量能量，其中一部分用于合成少量能量。反应式为：2丙酮酸 6H2O酶→20[H] 6CO2 少量能量。

最后，在线粒体内膜上，前两阶段脱下的24个[H]与从外界吸收或叶绿体光合作用产生的6个O2结合成水。在此过程中释放大量的能量，其中一部分能量用于合成大量的ATP。反应式为：24[H] 6O2酶→12H2O 大量能量。

ATP是ADP吸收能量后结合一个Pi生成的。ADP的结构简式为：A—P～P，“～”表示高能磷酸键，“—”表示低能磷酸键。ATP的结构简式为：（A—P～P～P），其中的高能磷酸键储存着大量能量，供细胞使用。