Casi toda la energía utilizada por las células proviene de los enlaces que forman compuestos orgánicos complejos. Estos compuestos orgánicos se descomponen en moléculas más simples, como la glucosa. Posteriormente, las células extraen energía de la glucosa en muchas reacciones químicas, un proceso llamado respiración celular.

La respiración celular puede tener lugar en presencia o ausencia de oxígeno, conocida como respiración aeróbica y anaeróbica, respectivamente. En presencia de oxígeno, la respiración celular comienza con la glucólisis y continúa con la oxidación del piruvato, el ciclo del ácido cítrico, y la fosforilación oxidativa.

Tanto la respiración celular aeróbica como la anaeróbica comienzan con la glucólisis. La glucólisis produce una ganancia neta de dos moléculas de piruvato, dos moléculas de NADH y dos moléculas de ATP (cuatro producidas menos dos utilizadas durante la glucólisis que requiere energía). Además de estos productos principales, la glucólisis genera dos moléculas de agua y dos iones de hidrógeno.

En las células que llevan a cabo la respiración anaeróbica, la glucólisis es la principal fuente de ATP. Estas células utilizan la fermentación para convertir NADH de la glucólisis, de nuevo en NAD⁺, que se requiere para continuar el proceso. La glucólisis es también la principal fuente de ATP para los glóbulos rojos de mamíferos maduros, que carecen de mitocondrias. Las células cancerosas y las células madre dependen de la glucólisis aeróbica para el ATP.

Las células que utilizan la respiración aeróbica continúan descomprimiendo el piruvato después de la glucólisis a través de la oxidación del piruvato, el ciclo del ácido cítrico y la fosforilación oxidativa. La oxidación del piruvato convierte el piruvato de la glucólisis en acetil-CoA, la entrada principal para el ciclo del ácido cítrico. El NAD⁺ para continuar con la glucólisis se repone durante la fosforilación oxidativa, cuando el NADH traslada y dona electrones a la cadena de transporte de electrones, convirtiéndose en NAD+.

El ATP portador de energía es el principal producto de la respiración celular. Aunque la fosforilación oxidativa produce la mayor parte del ATP generado por la respiración aeróbica, el ATP también se produce durante la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico.