Oksidativ fosforylering er det siste trinnet i celleåndingen. Den foregår i den indre membranen i mitokondriet og består av to deler: elektrontransportkjeden og kjemiosmosen.

Elektrontransportkjeden. I glykolysen, i oksidasjonen av pyruvat og i sitronsyresyklusen blir $\mathrm{N}\mathrm{A}{\mathrm{D}}^{+}$ redusert til $\mathrm{NADH}$. I tillegg blir FAD redusert til $\mathrm{F}\mathrm{A}\mathrm{D}{\mathrm{H}}_2$ i sitronsyresyklusen. Disse leverer elektronene sine til proteinkompleksene i den indre mitokondriemembranen. Elektronene blir så sendt trinnvis fra kompleks til kompleks. Hver mottaker holder elektronene sterkere enn den forrige, så elektronene faller til et lavere energinivå for hvert trinn. Energien som frigjøres, brukes til å pumpe ${\mathrm{H}}^{+}$ fra mitokondriematrix og ut i mellommembranrommet.

Protongradienten. Pumpingen gir høy konsentrasjon av ${\mathrm{H}}^{+}$ i mellommembranrommet og lav konsentrasjon i matrix. Det blir også en ladningsforskjell over membranen. Til sammen utgjør dette en protondrivkraft, altså lagret potensiell energi.

Kjemiosmose og ATP-syntese. Membranen slipper ikke ${\mathrm{H}}^{+}$ gjennom noe annet sted enn i enzymet ATP-syntase. Derfor strømmer ${\mathrm{H}}^{+}$ tilbake til matrix gjennom dette enzymet. Strømmen får en del av ATP-syntasen til å rotere, og enzymet kobler ADP og fosfat sammen til ATP. Denne koblingen mellom protonstrøm og ATP-produksjon kalles kjemiosmose.

Oksygenets rolle. Oksygen er den siste elektronmottakeren i kjeden. Oksygen tar imot elektronene og binder ${\mathrm{H}}^{+}$, slik at det dannes vann:

Uten oksygen hoper elektronene seg opp, kjeden stopper, og det blir ingen protongradient og ingen ATP.

Oksidativ fosforylering gir det meste av ATP-et i celleåndingen, omtrent 26–28 av de rundt 30–32 ATP-molekylene per glukosemolekyl.