Schritt 1 - Glycolyse: In mehreren Reaktionsschritten wird ein Molekül Glucose in zwei Moleküle Brenztraubensäure gespalten. Dabei wird zunächst Energie durch die Spaltung von 2 Molekülen ATP verbraucht, diese wird aber am Ende der Glycolyse doppelt zurückgewonnen (4 Moleküle ATP entstehen aus ADP + P). Außerdem werden 4 Wasserstoffatome aus der Glucose auf NAD+ übertragen, es entstehen 2 Moleküle NADH + H⁺. Die Reaktionen der Glycolyse laufen im Cytoplasma ab.

Schritt 2 - Zitronesäurezyklus: Die aus der Glycolyse stammende Brenztraubensäure reagiert unter Bildung von Kohlendioxid und NADH + H⁺ mit Coenzym A zu Acetylcoenzym A. Dieses Acetylcoenzym A schleust eine C₂H₂O-Gruppe in den Zitronensäurezyklus ein, aus Oxalessigsäure entsteht unter Mitwirkung eines Wassermoleküls Citronensäure. Dieses Citronensäuremolekül wird in einer Reihe von Reaktionsschritten wieder zu Oxalessigsäure oxidiert. Im Verlauf dieser Reaktionen entstehen zwei Moleküle Kohlenstoffdioxid, drei Moleküle NADH + H⁺, ein Molekül FADH₂ und ein Molekül ATP

Die Reaktionen des Citronensäurecyclus erfolgen in der Matrix der Mitochondrien.

Schritt 3 - Atmungskette: In die Innenmembran der Mitochondrien sind die Proteine der Redoxkette (= Elektronentransportkette) eingebettet. Bei den Proteinkomplexen I, III und IV handelt es sich um Protonenpumpen. Diese Proteine transportieren H+-Ionen entgegen dem Konzentrationsgefälle in den Intermembranraum der Mitochondrien. Die hierfür benötigte Energie wird durch die Weitergabe von Elektronen von einem Protein zum anderen gewonnen. Dabei wechselt jedes Protein vom oxidierten zum reduzierten Zustand hin und her. Am Ende der Elektronentransportkette werden die Elektronen in der Reaktion von H+-Ionen mit Sauerstoff zu Wasser verbraucht.

Die Elektronen und die H⁺-Ionen für diesen Vorgang stammen aus Oxidation von NADH+H⁺ zu NAD⁺. Die aus dem FADH₂ stammenden Elektronen und H⁺-Ionen werden über Proteinkomplex II in die Elektronentransportkette eingeschleust.

Die Membran ist für H⁺-Ionen undurchlässig. Das H⁺-Konzentrationsgefälle treibt nun durch Rückfluss der H⁺-Ionen in die Matrix die ATP-Synthase an. Dabei rotiert die in der Membran liegende Untereinheit dieses Proteins und bewirkt eine sich wiederholende Konformationsänderung ("Verformung") der pilzförmigen Untereinheit. Durch die Konformationsänderung verändern sich die mit ADP und P beladenen Bindungsstellen so, daß ATP entsteht.