La respirazione cellulare produce 30-32 molecole ATP per molecola di glucosio. Anche se la maggior parte dell'ATP deriva dalla fosforilazione ossidativa e dalla catena di trasporto degli elettroni (ETC), 4 ATP sono ottenuti in anticipo (2 da glicolisi e 2 dal ciclo dell'acido citrico).

L'ETC è incorporato nella membrana mitocondriale interna e comprende quattro complessi proteici principali e una sintesi ATP. NADH e FADH2 passano gli elettroni a questi complessi, che a loro volta pompano protoni nello spazio intermembrana. Questa distribuzione di protoni genera un gradiente di concentrazione attraverso la membrana. Il gradiente guida la produzione di ATP quando i protoni rifluiscono nella matrice mitocondriale tramite l'ATP sinteasi.

Per ogni 2 elettroni di ingresso che NADH passa nel complesso I e III ogni pompa 4 protoni e complesse pompe IV 2 protoni, per un totale di 10 protoni. Complesso II non è coinvolto nella catena di elettroni iniziata da NADH. FADH₂, tuttavia, passa 2 elettroni al complesso II, quindi un totale di 6 protoni vengono pompati per FADH₂; 4 protoni via complesso III e 2 tramite complesso IV.

Sono necessari quattro protoni per sintetizzare 1 ATP. Dal momento che 10 protoni sono pompati per ogni NADH, 1 NADH produce 2.5 (10/4) ATP. Sei protoni vengono pompati per ogni FADH₂, quindi 1 FADH₂ produce 1,5 (6/4) ATP.

La respirazione cellulare produce un massimo di 10 NADH e 2 FADH₂ per molecola di glucosio. Dal momento che un singolo NADH produce 2.5 ATP e un singolo FADH₂ produce 1,5 ATP, ne consegue che 25 ATP 3 ATP sono prodotti dalla fosforilazione ossidativa. Quattro ATP vengono prodotti prima della fosforilazione ossidativa, che produce un massimo di 32 ATP per molecola di glucosio.

È importante sottolineare che la glicolisi si verifica nel citosol e l'ETC si trova nei mitocondri (negli eucarioti). La membrana mitocondriale non è permeabile a NADH, quindi gli elettroni del 2 NADH che sono prodotti dalla glicolisi devono essere trasportati nei mitocondri. Una volta all'interno del mitocondrio, gli elettroni possono essere passati a NAD^o FAD. Data la diversa resa ATP a seconda del vettore elettronico, la resa totale della respirazione cellulare è da 30 a 32 ATP per molecola di glucosio.