A sejtek lebontó folyamataiban felszabaduló energia jó része ATP-szintézisre fordítódik. A legfontosabb folyamat a szénhidrátok lebontása, mely a sejtekben a biológiai oxidáció folyamatában zajlik. Ezt a folyamatot számos enzim katalizálja.
A folyamat során a poliszacharidok először glükóz-foszfát egységekre bontódnak le. A biológiai oxidáció első szakaszában, a glikolízisben, a glükóz-foszfát glicerinaldehid-foszfáttá alakul. Ezután három szénatomos piroszőlősavvá alakul a glükóz-foszfát, miközben a foszfát-csoportok leválása ATP keletkezését eredményezi. A glikolízis végén a piroszőlősav CO2 leadása közben két szénatomos acetilcsoporttá alakul, amelyet a koenzim-A szállít el a citromsav-ciklusba (biológiai oxidáció második lépése). Itt a leváló acetilcsoportot a négy szénatomos oxálecetsav veszi fel, és hat szénatomos citromsavvá alakul. Ez a folyamat több lépésben két CO2 leadása és nyolc NADH létrehozása során visszaalakul oxálecetsavvá.
A biológiai oxidáció befejező szakasza a terminális oxidáció. Ide szállítódik az előző két szakaszban leadott hidrogén. A rendszerben az első elektronfelvevő molekula NADH-ról átvett elektronnal redukálódik, majd továbbadja azt a következő elektronfelvevő molekulának, amely oxidálódik. Ez a folyamat addig folytatódik, amíg az elektron a végső elektronfelvevő molekulához nem ér. Az elektronok ezen a rendszeren keresztül lépésről lépésre alacsonyabb energiaszintre kerülnek, és ezáltal ATP szintetizálódik. A végső elektronfelvevő a légzésből származó oxigén, amely a hidrogénionokkal (NADH-ból) vízzé alakul.
Otto Warburg kutatásaival foglalkozott a légzési oxigén felhasználásával, míg Szent-Györgyi Albert és Hans Krebs a biológiai oxidációval kapcsolatos kutatásokat végeztek.
A glikolízis során csak 2 mól ATP keletkezik, azonban a terminális oxidáció során 36 mól ATP képződik egyetlen mól glükóz oxidációjából. Ez az oxidációs folyamat oxigéndús, aerob körülmények között játszódik le. Ha a környezet nem tartalmaz elég oxigént, akkor anaerob körülmények között zajlik le az anyagcsere-folyamat, amit erjedésnek nevezünk. Az erjedés első lépései megegyeznek a glikolízis folyamatával a piroszőlősav-szubsztrátig. Innentől több út lehetséges: az egyikben CO2 szabadul fel, és az endprodukció etanol, a másikban tejsav képződik. Mivel mindkét termék további oxidációval energiát tudna termelni, az erjedés energetikai szempontból nem gazdaságos: 1 mól glükóz erjedése során csak 2 mól ATP keletkezik.