Fast die gesamte Energie, die von den Zellen verbraucht wird, stammt aus Bindungen von komplexen organischen Verbindungen. Diese organischen Verbindungen werden in einfachere Moleküle, wie etwa Glukose, gespalten. Anschließend extrahieren Zellen die Energie aus der Glukose durch viele chemische Reaktionen Energie, in einem Prozess, der Zellatmung genannt wird.

Die Zellatmung kann in Anwesenheit oder Abwesenheit von Sauerstoff stattfinden. Man bezeichnet sie dann jeweils als aerobe oder anaerobe Atmung. In Gegenwart von Sauerstoff beginnt die Zellatmung mit der Glykolyse und setzt sich mit der oxidativen Decarboxylierung des Pyruvats, dem Citratzyklus und der oxidativen Phosphorylierung fort.

Sowohl die aerobe als auch die anaerobe Zellatmung beginnen mit der Glykolyse. Die Glykolyse ergibt einen Nettogewinn von zwei Pyruvatmolekülen, zwei NADH-Molekülen und zwei ATP-Molekülen (vier die produziert werden minus zwei, die während der energieaufwendigen Glykolyse verwendet werden). Zusätzlich zu diesen Hauptprodukten erzeugt die Glykolyse zwei Wassermoleküle und zwei Wasserstoff-Ionen.

In Zellen die eine anaerobe Atmung durchführen, ist die Glykolyse die Hauptquelle des ATPs. Diese Zellen verwenden die Fermentation, um NADH aus der Glykolyse wieder in NAD⁺ umzuwandeln, welches für die Fortsetzung der Glykolyse erforderlich ist. Die Glykolyse ist auch die primäre ATP-Quelle für reife rote Blutkörperchen der Säugetiere, welche keine Mitochondrien haben. Krebszellen und Stammzellen sind auf die aerobe Glykolyse für ATP angewiesen.

Aerobe Zellen bauen das Pyruvat nach der Glykolyse durch die oxidative Decarboxylierung, den Citratzyklus und die oxidative Phosphorylierung weiter ab. Die oxidative Decarboxylierung wandelt das Pyruvat aus der Glykolyse in Acetyl-CoA um, welches das Hauptsubstrat des Citratzyklus ist. NAD⁺ für eine fortschreitende Glykolyse wird während der oxidativen Phosphorylierung wieder hergestellt, wenn NADH sich durch die Elektronentransportkette bewegt und Elektronen abgibt, so dass NAD+ entsteht.

Der Energieträger ATP ist das Hauptprodukt der Zellatmung. Obwohl die oxidative Decarboxylierung des Pyruvats den größten Teil des durch die aerobe Atmung erzeugten ATPs produziert, wird ATP auch während der Glykolyse und des Citratzyklus produziert.