Клеточное дыхание производит 30-32 молекулы АТФ на молекулу глюкозы. Хотя большая часть АТФ возникает в результате окислительного фосфорилирования и цепи переноса электронов (ETC), 4 АТФ получают заранее (2 из гликолиза и 2 из цикла лимонной кислоты).

ETC встроен во внутреннюю митохондриальную мембрану и состоит из четырех основных белковых комплексов и АТФ-синтазы. НАДН и ФАДН2 передают электроны этим комплексам, которые, в свою очередь, перекачивают протоны в межмембранное пространство. Такое распределение протонов создает градиент концентрации через мембрану. Градиент стимулирует производство АТФ, когда протоны возвращаются в митохондриальный матрикс через АТФ-синтазу.

На каждые 2 входных электрона, которые НАДН переходит в комплекс I, комплексы I и III перекачивают 4 протона, а комплекс IV перекачивает 2 протона, всего 10 протонов. Комплекс II не участвует в электронной цепи, инициированной НАДН. Однако FADH ₂ передает 2 электрона в комплекс II, так что всего на FADH ₂ накачивается 6 протонов; 4 протона через комплекс III и 2 через комплекс IV.

Четыре протона необходимы для синтеза 1 АТФ. Поскольку на каждый НАДН накачивается 10 протонов, 1 НАДН дает 2,5 (10/4) АТФ. На каждый FADH ₂ накачивается шесть протонов, поэтому 1 FADH ₂ дает 1,5 (6/4) АТФ.

Клеточное дыхание производит максимум 10 НАДН и 2 ФАДН ₂ на молекулу глюкозы. Поскольку один НАДН производит 2,5 АТФ, а один ФАДН ₂ производит 1,5 АТФ, из этого следует, что 25 АТФ + 3 АТФ производятся путем окислительного фосфорилирования. Перед окислительным фосфорилированием вырабатываются четыре АТФ, что дает максимум 32 АТФ на молекулу глюкозы.

Важно отметить, что гликолиз происходит в цитозоле, а ETC находится в митохондриях (у эукариот). Митохондриальная мембрана не проницаема для НАДН, следовательно, электроны 2 НАДН, образующиеся при гликолизе, должны перемещаться в митохондрии. Попав внутрь митохондрии, электроны могут переходить к НАД ⁺ или FAD. Учитывая различный выход АТФ в зависимости от переносчика электронов, общий выход клеточного дыхания составляет от 30 до 32 АТФ на молекулу глюкозы.