呼吸代謝には大きく分けて以下の3つの代謝が関わる。糖類はこれらの代謝系によって二酸化炭素 (CO₂) および水にまで分解され、その過程でATPが生産される。

解糖系

細胞質基質で行われる酸素を使わない糖の酸化過程。

クエン酸回路

ピルビン酸などから変換されたアセチルCoAを二酸化炭素に分解する酸化過程。真核生物ではミトコンドリア基質で、原核生物では細胞膜近辺で行われる。

酸化的リン酸化

NADHなどの水素受容体を酸化し、酸素に電子を伝えて水を生成する過程を電子伝達系と呼ぶ（光合成の電子伝達系と区別するため、呼吸鎖とも呼ばれる）。それと共役してATP合成酵素によりATPが生成する。真核生物ではミトコンドリア内膜で、原核生物では細胞膜で行われる。高校の生物では「酸化的リン酸化」という言葉を用いず、呼吸鎖とATP合成酵素反応全体を含めて「電子伝達系」と呼ぶ。

なお脂肪酸などの有機酸の酸化においては、解糖系の代わりにβ酸化（大部分の反応がミトコンドリア基質で行われる）がかかわる。 以下にグルコース1分子を代表として、ミトコンドリアを有する真核生物の細胞呼吸における物質の収支を示す（高エネルギーリン酸結合形成における脱水と、NADHを除くpHバランスに伴うプロトンの収支は省略）。

解糖系（10段階の酵素反応より成る）

グルコース (C₆H₁₂O₆) + 2 NAD⁺ + 2 ADP + 2 P_i → 2 ピルビン酸 (C₃H₄O₃) + 2 NADH + 2 ATP + 2 H⁺

ピルビン酸から乳酸・エタノールへと発酵する過程も解糖系に含むのが普通である。

クエン酸回路

ピルビン酸脱炭酸反応

2 ピルビン酸 (C₃H₄O₃) + 2 NAD⁺ + 2 HSCoA → 2 アセチルCoA (CH₃COSCoA) + 2 CO₂ + 2 NADH + 2 H⁺

解糖系とクエン酸回路を結ぶ反応で、しばしばクエン酸回路にも解糖系にも分類される。

狭義のクエン酸回路 (10段階の酵素反応より成る)

2 アセチルCoA (CH₃COSCoA) + 6 NAD⁺ + 2 FAD + 2 GTP + 2 P_i + 6 H₂O → 4 CO₂ + 6 NADH + 6 H⁺ + 2 FADH₂ + 2 GTP + 2 HSCoA

スクシニルCoA合成酵素を通じてGTPからは当量のATPが合成される。

酸化的リン酸化

電子伝達系（4種類の呼吸鎖複合体による3段階の酸化還元反応が関与する）

10 NADH + 10 H⁺ + 2 FADH₂ + 6 O₂ → 10 NAD⁺ + 2 FAD + 12 H₂O

ATP合成酵素によるATP合成反応

（10 NADH由来）: 30 ADP + 30 P_i → 30 ATP

（2 FADH₂由来）: 4 ADP + 4 P_i → 4 ATP

NADHからは約3当量、FADH₂からは約2当量のATPが合成されるとされてきた。<ref name=Ochoa>Ochoa, S. J. Biol. Chem. 1943, 151, 493–505.></ref>

以上の反応をすべてまとめると

グルコース (C₆H₁₂O₆) + 6 O₂ + 38 ADP + 38 P_i → 6 CO₂ + 6 H₂O + 38 ATP

この式は高校生物で学習する呼吸の収支式と呼ばれる。酵素による約25の反応がこの代謝には関わっており、グルコースの持つエネルギーの有効利用に役立っている。グルコースの酸化反応(C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ (g) → 6 CO₂ (g) + 6 H₂O (l))における標準反応ギブズ自由エネルギー(ΔG´°)は–2873.4 kJ/molであるのに対し、ATPの加水分解反応(ATP + H₂O → ADP + P_i, pMg = 3)ではΔG´° = –31.56 kJ/molであり、38 ATPの生成により約41.7%の効率でグルコースの自由エネルギーを変換していることになる。

ただし近年の測定結果や理論面からは、グルコース1分子から38当量のATPが合成されるとする解釈は支持されていない。以下問題点を列挙すると：

• 心筋や肝臓などの細胞では、解糖系で合成されたNADHはリンゴ酸アスパラギン酸シャトル（Glu/Aspシャトル）を通じてミトコンドリア内での当量のNADH合成に利用されるが、通常の細胞では、NADHはグリセロリン酸シャトル（αGPシャトル）を通じてミトコンドリア内での当量のFADH₂合成に利用される。そのため最終的に合成されるATPが2当量少なくなる。
• 従来は電子伝達系においてNADH や FADH₂などの水素供与体が電子を酸素に渡す過程でATPが合成されると考えられたが、今日では電子伝達による膜外へのプロトンの放出と、プロトン濃度勾配により生まれた膜電位を駆動力とするATP合成が別個のシステムで行われることが判明し、P/O比（合成されたリンと消費した酸素のモル比）は整数である必要がなくなった。真核生物においてはNADHの酸化からは10当量のプロトンが、FADH₂の酸化からは6当量のプロトンがミトコンドリア基質からミトコンドリア膜間腔へ放出される。
• ミトコンドリア内で合成されたATPを細胞質基質へ輸送する段階で当量のプロトンのミトコンドリア基質内への流入が起こり、ATP合成のためのプロトンの消失に繋がる。同様にGlu/AspシャトルによるNADHの生成においても当量のプロトンがミトコンドリア基質内へ流入する。
• ATP合成酵素においては3当量のプロトンの流入でATP合成酵素が1回転し、ATPが1分子合成されると考えられている。さらにミトコンドリア内で合成したATPを細胞内へ輸送する際に1当量のプロトンを消費するため、細胞質基質で消費するためのATPの合成に必要なプロトンの当量（H⁺/ATP比）は4となる。理論上のP/O 合成比は、NADHで2.5 (= 10/4)、FADH₂で1.5 (= 6/4)となり、グルコース１分子当たり31または29.5分子のATPが合成されることになる（Glu/AspシャトルやGTP由来のATP輸送によるプロトン消費（共に2 H⁺、0.5 ATP相当の消失）を無視すると32または30分子）。<ref name=Hinkle1991>Hinkle, P. C.; Kumar, M. A.; Resetar, A.; Harris, D. L. Biochemistry 1991, 30, 3576–3582.</ref> 最近の生化学の教科書ではこちらの説を解説するようになってきている。
• ごく最近になって、1個のプロトンの流入でATP合成酵素が1/3回転ではなく、3/10回転することが構造の詳細な解析から示されており、<ref>Stock, D.; Leslie, A. G. W.; Walker, J. E. Science 1999, 286, 1700–1705.</ref> H⁺/ATP比も整数ではない(H⁺/ATP 比 = 4.33 (= 13/3 = 10/3 + 1))と指摘されている。この場合は理論上のP/O 合成比が、NADHで約2.31 (= 10/(13/3))、FADH₂で約1.38 (= 6/(13/3))となり、グルコース当たり約28.92または約27.54当量のATPが合成される。<ref name=Hinkle2005>Hinkle, P. C. Biochim. Biophys. Acta 2005, 1706, 1–11.</ref> なおグルコースに対して28.92, 27.54当量のATPが生成したとすると標準状態における自由エネルギー変換効率は31.8%, 30.2%と計算されるが、実際の生体反応では反応基質の濃度調整により最大で60%前後のエネルギー変換効率が生み出されていると推定されている。

以下の表に哺乳動物におけるグルコース (C₆H₁₂O₆)、貯蔵多糖の代表としてモノマー当たりのグリコーゲン ((C₆H₁₀O₅)_n)、代表的な脂肪酸としてパルミチン酸 (C₁₅H₃₁COOH) から合成されるATPの理論上の最大当量を、古典的解釈や最新の理論に基づく値としてそれぞれまとめる。<ref>Brand, M. D. Biochem. Soc. Trans. 2005, 33, 897–904.</ref>