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线粒体是细胞的动力工厂，具有独特的双膜结构。外膜光滑且通透性好，允许小分子物质自由通过。内膜形成许多褶皱结构称为嵴，大大增加了膜的表面积。外膜与内膜之间是膜间隙，而内膜包围的空间称为基质。内膜上的嵴是ATP合成酶的主要分布部位，是ATP产生的关键结构。这种精巧的结构设计为高效的能量转换提供了基础。
ATP的产生需要经过前期准备阶段。首先是糖酵解过程，葡萄糖在细胞质中被分解为两个丙酮酸分子，同时产生2个ATP和2个NADH。接下来，丙酮酸进入线粒体基质，参与柠檬酸循环。在这个循环中，每个丙酮酸最终产生3个NADH、1个FADH2和1个ATP。由于有两个丙酮酸，总共产生6个NADH、2个FADH2和2个ATP。这些NADH和FADH2携带高能电子，是后续电子传递链的关键底物，为ATP的大量合成提供原料。
电子传递链是ATP产生的核心机制，由四个蛋白质复合体组成。复合体一接受NADH的电子，同时将4个质子泵入膜间隙。复合体二接受FADH2的电子，但不泵出质子。电子通过载体分子传递到复合体三，复合体三再泵出4个质子。最后，电子到达复合体四，与氧气结合形成水，同时泵出2个质子。整个过程中，电子逐步释放能量，驱动质子从基质泵入膜间隙，建立质子梯度。这个质子梯度储存的化学势能将用于ATP的合成。
化学渗透理论由彼得·米切尔提出，解释了质子梯度如何驱动ATP合成。电子传递链将质子从基质泵入膜间隙，使膜间隙的质子浓度远高于基质，形成约1.4个pH单位的浓度梯度。同时，质子的分离还产生约140毫伏的跨膜电位差，膜间隙带正电，基质带负电。浓度梯度和电位差共同构成质子动力势，总值约为220毫伏。这个巨大的电化学势能储存在质子梯度中，为ATP合酶提供驱动力，是ATP合成的直接能量来源。
ATP合酶是一个精密的分子马达，由F0和F1两部分组成。F0部分嵌在内膜中，包含c亚基形成的环形转子，质子通过其中的通道流动。F1部分位于基质侧，由三个α亚基和三个β亚基交替排列，中央有γ亚基形成的轴。当质子沿着浓度梯度从膜间隙回流到基质时，推动F0部分的c环旋转，进而带动γ轴旋转。γ轴的旋转引起β亚基发生构象变化，催化ADP和磷酸结合形成ATP。每当γ轴转动120度，就有一个ATP分子被合成，因此每转一圈可以产生三个ATP分子。