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  有氧呼吸產生能量(ATP)是需要氧氣的。儘管糖類、脂肪和蛋白質都可以作為反應物而被處理和消耗,然而在糖酵解作用下降解成的丙酮酸卻是首選;並且丙酮酸為了被三羧酸迴圈完全氧化,它還需要進入線粒體。這個過程中由底物水平磷酸化、還原型煙醯胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)和還原型黃素腺嘌呤二核苷酸(FADH)所產生的能量是在以ATP(三磷酸腺苷)的形式儲存起來。  糖類參與的有氧呼吸簡化反應如下(反應條件從略):  部分教材會在左邊加上6個HO(水),右邊生成的HO相應為12,以表示每消耗1個葡萄糖分子就有6個水分子參與中間反應,但實際上有氧呼吸的過程複雜得多,中間參與反應的也不只有水,故此處將6HO約去。  自由能變(ΔG)是負值說明此反應可自發進行。  NADH與FADH中的還原勢通過電子傳遞鏈將電子送達作為“最終電子受體”的氧氣並被轉換為更多的ATP。大多數由有氧呼吸產生出來的ATP是由氧化磷酸化所製造。這個工作是由消耗丙酮酸所產生的能量以推動將質子泵入線粒體膜間隙所產的H濃度梯度所完成的。接下來這個化學滲透勢驅使ATP合酶將腺苷二磷酸以及無機磷酸合成三磷酸腺苷。生物書上常稱在細胞呼吸中每氧化一分子葡萄糖可以生成32個ATP分子(兩個來自於糖酵解,兩個來自於三羧酸迴圈以及大約34個來自於電子傳遞系統)。然而,這個最大產量由於質子損失(內膜滲漏)以及推動丙酮酸進入線粒體基質的因素而永遠無法達到,現在估計的是每一分子葡萄糖可以生成29～30個ATP分子。  有氧代謝能量轉換效率約為40%,大約比無氧代謝(每摩爾葡萄糖大約生成2摩爾ATP)的效率要高19倍。他們都有糖酵解這一起始途但有氧代謝繼續進行了三羧酸迴圈以及氧化磷酸化步驟。糖酵解後反應發生在真核細胞的線粒體以及原核細胞的胞漿中。  葡萄糖是生物體內基本的能量來源,葡萄糖的有氧分解是呼吸作用的典型,因此下面用葡萄糖作為例子講解。

  在糖解作用中,一分子葡萄糖經過一系列反應,最終生成了兩分子的丙酮酸(CHCOCOOH),以及兩分子ATP。此反應在細胞質中進行,並不需氧氣參與。糖解作用又可粗略分為兩階段,第一階段是葡萄糖轉變成3-磷酸甘油醛,過程中消耗了2分子ATP,此為投資階段。第二階段是甘油醛三磷酸轉變成丙酮酸,過程中產生了4分子ATP和兩分子NADH,是為放能階段,最後反應淨得2分子ATP和2分子NADH。

  在這一過程中,一分子的丙酮酸(CHCOCOOH)脫去一個羧基,生成一分子的二氧化碳和一分子的乙醯輔酶A。

  二碳的乙醯輔酶A與四碳的草醯乙酸結合,生成了六碳的檸檬酸。檸檬酸經過一系列脫羧和脫氫的酶促反應,最終仍變成四碳的草醯乙酸。草醯乙酸不被消耗,僅僅用於生成中間產物而已。

  經過上述的分解過程,產生的能量只是很少的一部分,還有大量能量隨著分解過程被轉移到幾種輔酶所攜帶的質子也就是還原性氫上。這些攜帶還原性氫的輔酶在細胞線粒體內膜上經過一系列被稱做電子傳遞鏈的酶,將氫經過不同的細胞色素最終傳遞給氧原子生成水分子。  線粒體穿梭

  電子傳遞鏈是細胞線粒體內膜上一系列通道蛋白和酶的總稱,在某些原核細胞中,細胞以細胞質膜內褶完成類似的活動。 電子傳遞鏈的實質是將高能電子經過一系列受體傳遞,電位逐漸降低,最後與質子和氧原子結合生成水。化學滲透假說較好的解釋了ATP合成:電子通過線粒體內膜被傳遞的同時,導致了膜內外的電勢差,引起質子的穿膜移動推動ATP合成酶合成ATP,這一過程通過內膜上的通道蛋白和一個ADP磷酸化的過程耦聯,當電子被傳遞,可以導致生成ATP,這一過程被稱為氧化磷酸化。

  某些細菌(例如:放線菌)電子傳遞鏈最終的電子接受者並非氧氣,而是硝酸根或硫酸根之類的氧化態物質,以氧化磷酸化合成ATP。發酵作用沒有氧氣參與,許多版本的高中以下教科書,將無氧呼吸與發酵作用混為一談。但是某些領域中,發酵作用與無氧呼吸仍作為同義詞。  發酵作用

  細胞行無氧呼吸的其中一條路徑,丙酮酸(CHCOCOOH)在脫羧過程後不生成乙醯輔酶A,而是生成乙醛,乙醛接受還原性氫被還原為酒精。在該過程中,糖酵解將一分子的葡萄糖分解成兩分子的丙酮酸,丙酮酸在酶的作用下釋放出二氧化碳後轉變成乙醛,乙醛再被NADH還原成乙醇(酒精)。  這裡的NAD之再生可供應糖酵解作用所需。  過程:

  一些生物的呼吸過程,典型的是我們熟知的乳酸菌,是細胞行無氧呼吸的另一條路徑。在乳酸發酵中,丙酮酸直接生成乳酸,這是一個被還原的過程,同時間使NADH被氧化為NAD,這樣糖解作用才有材料進行。人體內也存在這一過程,劇烈運動時肌肉供氧不足,便會通過這一過程還原作用所需材料,再透過糖解得到持續的能量,生成的乳酸可以在人體裡短時間累積,等到又有氧氣了,乳酸會被再次轉化為丙酮酸鹽,然後通過有氧的方式釋放出全部的能量。  過程:  過程中,糖酵解將一分子的葡萄糖分解成兩分子的丙酮酸,丙酮酸直接被NADH還原形成乳酸鹽(lactate)暫存,而沒有二氧化碳釋出。

  

  脂類物質水解生成脂肪酸和甘油。其中,甘油經磷酸基的活化和酶促反應轉化為磷酸二羥丙酮,後脫水變為丙酮酸,丙酮酸參加上述的呼吸過程。脂肪酸長鏈分子則是反覆被脫去一端的兩個碳原子生成乙<unk>輔酶A,參加克氏迴圈。

  各種氨基酸可以分別經過脫氨基或脫羧基作用被氧化,脫氨基生成的氨對細胞有毒害作用,必須被排出體外或轉化為其他無害物質。含碳部分的轉化根據氨基酸的不同而各異,但最終都是通過某些途徑成為檸檬酸迴圈中的物質參與迴圈。 可見,各種營養物質的氧化路線到最後都是相同的。生物體內的諸多能量代謝具有相當高的一致性。
呼吸作用,又稱為細胞呼吸(英語:Cellular respiration),是生物體細胞把有機物氧化分解並轉化能量的化學過程,也稱為釋放作用。無論是否自養,細胞內完成生命活動所需的能量,都是來自呼吸作用。真核細胞中,線粒體是與呼吸作用最有關聯的胞器,呼吸作用的幾個關鍵性步驟都在其中進行。