ATP合成酶在生物體內發揮著至關重要的作用，主要功能是通過捕獲和轉換電子傳遞鏈釋放的能量來合成ATP。ATP合成酶廣泛分布於線粒體內膜、葉綠體類囊體、異養菌和光合菌的質膜上，具體作用如下：
參與氧化磷酸化和光合磷酸化，在這兩個過程中，質子（H+）從線粒體或葉綠體內部泵送到外部，形成跨膜質子梯度，ATP合成酶利用這個梯度，通過質子的回流驅動ADP和無機磷酸鹽(Pi)結合，形成ATP。
在ATP合成酶中存在兩個主要的結構域，F1和F0，F1部分含有催化位點，負責實際的ATP合成，而F0部分形成一個通道，用於質子的傳遞。
當質子通過F0部分時，會引起c亞基構成的環旋轉，進而帶動γ亞基旋轉，這個旋轉會引起β亞基構象的變化，從而催化ADP和Pi形成ATP。
總之，ATP合成酶是生物體內產生能量（ATP）的關鍵酶，它通過捕獲和轉換電子傳遞鏈釋放的能量，有效地支持生命活動的進行。