Los organismos recogen la energía de los alimentos, pero esta energía no puede ser utilizada directamente por las células. Las células convierten la energía almacenada en los nutrientes en una forma más utilizable: trifosfato de adenosina o adenosín trifosfato (ATP).

El ATP almacena energía en enlaces químicos que se pueden liberar rápidamente cuando sea necesario. Las células producen energía en forma de ATP a través del proceso de respiración celular. Aunque gran parte de la energía de la respiración celular se libera como calor, parte de ella se utiliza para fabricar ATP.

Durante la respiración celular, varias reacciones de oxidación-reducción (redox) transfieren electrones de moléculas orgánicas a otras moléculas. Aquí, la oxidación se refiere a la pérdida de electrones y la reducción a la ganancia de electrones. Los portadores de electrones NAD⁺ y FAD— y sus formas reducidas, NADH  y FADH₂, respectivamente, son esenciales para varios pasos de la respiración celular.

Algunos procariotas utilizan respiración anaeróbica, que no requiere oxígeno. La mayoría de los organismos utilizan la respiración aeróbica (que requiere oxígeno), que produce mucho más ATP. La respiración aeróbica genera ATP al descomponer la glucosa y el oxígeno en dióxido de carbono y agua.

Tanto la respiración aeróbica como la anaeróbica comienzan con la glucólisis, que no requiere oxígeno. La glucólisis descompone la glucosa en el piruvato, produciendo ATP. En ausencia de oxígeno, el piruvato fermenta, produciendo NAD⁺ para la glucólisis continua. Es importante destacar que varios tipos de levadura utilizan fermentación alcohólica. Las células musculares humanas pueden utilizar la fermentación del ácido láctico cuando se agota el oxígeno. La respiración anaeróbica termina con la fermentación.

La respiración aeróbica, sin embargo, continúa con la oxidación del piruvato. La oxidación del piruvato genera acetil-CoA, que entra en el ciclo del ácido cítrico. El ciclo del ácido cítrico consiste en varias reacciones redox que liberan la energía de enlace de acetil-CoA, produciendo ATP y los portadores de electrones reducidos NADH y FADH₂.

La etapa final de la respiración celular, la fosforilación oxidativa, genera la mayor parte del ATP. NADH y FADH₂ pasan sus electrones a través de la cadena de transporte de electrones. La cadena de transporte de electrones libera energía que se utiliza para expulsar protones, creando un gradiente de protones que permite la síntesis del ATP.