Organizmy pozyskują energię z pożywienia, ale energia ta nie może być bezpośrednio wykorzystana przez komórki. Komórki przekształcają energię zmagazynowaną w składnikach odżywczych w bardziej użyteczną formę: adenozynotrójfosforan (ATP).

ATP magazynuje energię w wiązaniach chemicznych, które mogą być szybko uwolnione w razie potrzeby. Komórki wytwarzają energię w postaci ATP w procesie oddychania komórkowego. Chociaż większość energii z oddychania komórkowego jest uwalniana w postaci ciepła, część z niej jest wykorzystywana do wytwarzania ATP.

Podczas oddychania komórkowego kilka reakcji utleniania-redukcji (redoks) przenosi elektrony z cząsteczek organicznych na inne cząsteczki. Tutaj utlenianie odnosi się do utraty elektronów i redukcji do wzmocnienia elektronów. Nośniki elektronów NAD ⁺ i FAD oraz ich zredukowane formy, odpowiednio NADH i FADH₂, są niezbędne dla kilku etapów oddychania komórkowego.

Oddychanie tlenowe wymaga tlenu i wytwarza ATP poprzez rozkład glukozy i tlenu na dwutlenek węgla i wodę. Niektóre prokariota stosują oddychanie beztlenowe, które nie wymaga tlenu. Zarówno oddychanie tlenowe, jak i beztlenowe rozpoczyna się od glikolizy, która może zachodzić bez tlenu. Glikoliza rozkłada glukozę na pirogronian, dając ATP. Przy braku tlenu pirogronian fermentuje, wytwarzając NAD⁺ do dalszej glikolizy. Co ważne, kilka rodzajów drożdży przeprowadza fermentację alkoholową. Ludzkie komórki mięśniowe mogą wykorzystywać fermentację kwasu mlekowego, gdy brakuje tlenu. Oddychanie beztlenowe kończy się fermentacją.

Oddychanie tlenowe jest jednak kontynuowane z utlenianiem pirogronianu. Utlenianie pirogronianu generuje acetylo-CoA, który wchodzi w cykl kwasu cytrynowego. Cykl kwasu cytrynowego składa się z kilku reakcji redoks, które uwalniają energię wiązania acetylo-CoA, wytwarzając ATP i zredukowane nośniki elektronów NADH i FADH₂.

Ostatni etap oddychania komórkowego, fosforylacja oksydacyjna, generuje większość ATP. NADH i FADH₂ przepuszczają swoje elektrony przez łańcuch transportu elektronów. Łańcuch transportu elektronów uwalnia energię, która jest wykorzystywana do wydalania protonów, tworząc gradient protonów, który umożliwia syntezę ATP.

Większość organizmów korzysta z oddychania tlenowego (wymagającego tlenu), które wytwarza znacznie więcej ATP niż oddychanie beztlenowe.