Synteza ATP odbywa się na drodze:
1. fosforylacji substratowej – polega na przeniesieniu reszty fosforanowej z organicznego substratu o wyższej energii na ADP,
2. chemiosmozy – polega na syntezie ATP z ADP i fosforanu nieorganicznego z udziałem gradientu protonowego po dwóch stronach błony biologicznej.
W chemiosmotycznym mechanizmie fosforylacji gradient protonów wytwarzany jest przez pompy protonowe, które napędzane są od transportu elektronów przez szereg przenośników zlokalizowanych w błonie. Następnie protony zgromadzone po jednej stronie błony powracają o przestrzeni, gdzie ich gradient jest niższy poprzez kanał syntazy ATP. W wyniku tego procesu powstaje ATP.