在生物化学的领域内，糖酵解和三羧酸循环所释放的能量大部分储存在还原辅酶中。仅有一小部分能量以底物水平磷酸化的方式直接生成ATP。这些储存在还原辅酶中的能量需要通过氧化磷酸化的过程来合成ATP，从而得以利用。
当还原辅酶上的电子传递给电负性更强，即氧化还原电位更高的物质时，可以释放出能量。电子的传递与接受的电位差越大，放能的数量就越多。若电子直接传递给氧，可能会因一次性释放过多能量而导致反应失控。
为了解决这一问题，需氧生物采用了一系列氧化还原电位介于电子供体和受体之间的电子载体，构建了一个梯度适当的电子传递链。这一链式反应既有利于反应的控制，又提高了能量的利用效率。这一由电子载体构成的体系，从NADH或FADH2向氧传递电子，被称作呼吸链或电子传递链。
在真核生物中，呼吸链被定位于线粒体的内膜上，而在原核细胞中，它则位于质膜上。呼吸链中还原辅酶的再氧化过程被称为电子传递过程。在此过程中，辅酶运载的氢以质子形式脱离，电子则沿呼吸链传递至分子氧，最终与质子结合生成水。
电子的传递与磷酸基团的结合——即氧化磷酸化过程——是生物体获取能量的关键机制。具体而言，还原辅酶的电子逐步传递给氧是氧化过程，而ADP与磷酸结合生成ATP则是磷酸化过程。这两个过程相互关联，电子传递的能量驱动了ATP的合成。
与此生物体也会通过其他高能化合物的基团转移来合成ATP，这种方式被称为底物水平磷酸化。在葡萄糖的分解代谢过程中，一分子葡萄糖会产生10个NADH和2个FADH2。这些化合物在标准状态下具有613千卡的生成自由能，而在完全燃烧时则可释放出686千卡的热量，其中90%的能量储存在还原型辅酶中。
呼吸链的运作涉及超过15种组分，主要由四种酶复和两种可移动电子载体构成。其中复Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、辅酶Q和细胞色素C的数量比为特定比例。复Ⅰ作为NADH：辅酶Q氧化还原酶复，负责从NADH获取电子并传递给辅酶Q。
在电子从复Ⅰ传递至辅酶Q的过程中，会伴随着质子的转移，从而建立起跨膜质子梯度。线粒体正是利用这个梯度来推动ATP的合成，这是化学渗透学说的核心内容。
关于质子转位的详细机制，虽然存在不同理论，但目前的研究倾向于一次完成四个质子的易位过程。对原核生物线粒体复合物Ⅰ晶体结构的研究以及其他相关证据表明，复Ⅰ的亚基在线粒体内膜上形成了四个质子通道。
生物体内还存在另一种酶复——复Ⅱ，即三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶。它通过FAD辅基和铁硫蛋白将从琥珀酸获取的电子传递给辅酶Q。相较于复Ⅰ，复Ⅱ的能量变化较小，不能推动质子易位。
生物体通过精心设计的呼吸链和相关的酶复，高效且稳定地转换着能量形式，以支持生命的各种活动。