I coenzimi "caricati" nella matrice mitocondriale durante il ciclo di Krebs sono utilizzati nella cosiddetta catena di trasporto degli elettroni. Essa "scarica" i due coenzimi NADH e FADH2 (ossidandoli a NAD+ e FAD), trasferendone gli elettroni ad alcune molecole di trasporto, essenzialmente citocromi (particolari complessi proteici enzima-coenzima in grado di legare l'ossigeno). I citocromi sono deputati al trasporto degli elettroni verso gli enzimi NADH-Q reduttasi, succinato deidrogenasi, citocromo reduttasi e citocromo c ossidasi, capaci di "pompare" gli ioni H+ derivanti dall'ossidazione di NAD e FAD dalla matrice allo spazio intermembrana tramite un trasporto attivo attraverso la membrana interna, generando un gradiente protonico. I protoni non possono rientrare nella matrice per ristabilire l'equilibrio perché la membrana interna non è spontanemente permeabile al loro passaggio. Il rientro avviene alla fine del processo per mezzo dell'enzima ATP-sintasi, che sfrutta l'energia del loro potenziale elettrochimico per la sintesi di ATP (vedi sotto). Dalla riduzione dell'accettore finale degli elettroni, l'ossigeno, e dagli ioni H+ derivano molecole di acqua che si aggiungono a quelle prodotte dalla glicolisi.