氧化磷酸化是生物體內合成ATP的主要方式之一，涉及有機分子（如葡萄糖、脂肪、蛋白質）在細胞內氧化分解成二氧化碳和水，釋放能量並形成ATP的過程。這一過程主要線上粒體中發生，依賴於電子傳遞鏈（也稱為呼吸鏈）上的電子傳遞，在這個過程中，電子從代謝物（如NADH或FADH2）傳遞到分子氧，形成水，同時伴隨ADP的磷酸化生成ATP。氧化磷酸化與電子傳遞相偶聯，是需氧生物體內合成ATP的主要途徑。
此外，氧化磷酸化的機制包括化學滲透假說，該假說認為電子傳遞鏈上的高能電子在傳遞過程中釋放的能量用於泵送質子到膜間隙，形成電化學質子梯度，然後質子通過ATP合成酶返回到基質時釋放能量，驅動ATP的合成。氧化磷酸化與底物水平磷酸化不同，後者是在底物脫氫或脫水過程中直接將高能代謝物的能量轉移給ADP生成ATP的過程，不需要經過電子傳遞鏈。