Un'altra fonte di ROS è costituita dalla fosforilazione ossidativa mitocondriale. In condizioni fisiologiche circa 1-3% di O2 è ridotto da un solo elettrone, invece che da due elettroni, durante la catena respiratoria, cosicché viene normalmente liberata una piccola quantità di O2•–, che spontaneamente o per opera della superossido dismutasi (SOD) si converte in H2O2. In condizioni patologiche si instaura un disaccoppiamento della fosforilazione ossidativa e la produzione di O2•– mitocondriale (mtROS) aumenta notevolmente. Le stesse ox-LDL sono capaci di stimolare la liberazione di mtROS.