第一阶段
有氧呼吸过程示意
在细胞质的基质中，一个分子的葡萄糖分解成两个分子的丙酮酸，同时脱下4个[H](活化氢)；在葡萄糖分解的过程中释放出少量的能量，其中一部分能量用于合成ATP，产生少量的ATP。这一阶段不需要氧的参与，是在细胞质基质中进行的。
反应式：C6H12O6酶→2C3H4O3(丙酮酸)+4[H]+少量能量 (2ATP)（4[H]为2NADH）。
第二阶段
线粒体结构示意
丙酮酸进入线粒体的基质中，两分子丙酮酸和6个水分子中的氢全部脱下，共脱下20个[H]，丙酮酸被氧化分解成二氧化碳；在此过程释放少量的能量，其中一部分用于合成ATP，产生少量的能量。这一阶段也不需要氧的参与，是在线粒体基质中进行的。
反应式：2C3H4O3(丙酮酸)+6H2O→20[H]+6CO2+少量能量 (2ATP)（20[H]为8NADH和2FADH2）。
第三阶段
在线粒体的内膜上，前两阶段脱下的共24个[H]与从外界吸收或叶绿体光合作用产生的6个O2结合成水；在此过程中释放大量的能量，其中一部分能量用于合成ATP，产生大量的能量。这一阶段需要氧的参与，是在线粒体内膜上进行的。
反应式：24[H]+6O2酶→12H2O+大量能量(34ATP) （24[H]为10NADH和2FADH2）。
1NADH生成2.5ATP（旧为3ATP），1FADH2生成1.5ATP（旧为2ATP）。
有氧呼吸图解
[H]是一种十分简化的表示方式。这一过程中实际上是氧化型辅酶Ⅰ（NAD+）转化成还原性辅酶Ⅰ（NADH + H+），和FAD+转化为FADH2。
有氧呼吸主要在线粒体内,而无氧呼吸主要在细胞基质内。
有氧呼吸需要氧气分子参加,而无氧呼吸不需要氧气分子参加。
有氧呼吸分解产物是能量（ATP）和二氧化碳，水,而无氧呼吸分解产物主要是酒精或乳酸以及少量能量。
有氧呼吸释放能量较多,无氧呼吸释放能量较少。
总反应式
C6H12O6+6H2O+6O2→6CO2+12H2O+大量能量（最多38个ATP，一般是29-30个ATP）
过程中的能量变化
在有氧呼吸过程中，葡萄糖彻底氧化分解，1mol的葡萄糖在彻底氧分解以后，共释放出2870kJ的能量，其中有1161kJ的能量储存在ATP中，1709kJ以热能形式散失。利用率为40.45%
前者计算方法是每个NADH经电子传递链、氧化磷酸化后产生了3个ATP，FADH2产生了2个ATP：
2（糖酵解净得ATP）+2（三羧酸循环净得ATP）+30（每个NADH经电子传递链、氧化磷酸化后产生了3个ATP，共10个NADH）+4（每个FADH2经电子传递链、氧化磷酸化后产生了2个ATP，共2个FADH2）+2(琥珀酰辅酶A →琥珀酸：底物磷酸化) = 38
后者的计算方法是根据最新测定计算，每个NADH经电子传递链、氧化磷酸产生了2.5个ATP，FADH2产生了1.5个ATP：
2（糖酵解净得ATP）+2（三羧酸循环净得ATP）+25（每个NADH经电子传递链、氧化磷酸化后产生了2.5个ATP，共10个NADH）+3（每个FADH2经电子传递链、氧化磷酸化后产生了1.5个ATP，共2个FADH2）+ 2(琥珀酰辅酶A →琥珀酸：底物磷酸化) = 32
需要说明的是，不论是36或38个ATP还是30或32个ATP，这其中2个ATP差异产生的原因是有些细胞如心脏、肝、肾等细胞中经糖酵解产生的NADH在进入线粒体时是通过苹果酸－天冬氨酸环路来实现的，无需消耗ATP，而有些细胞是通过磷酸甘油环路需要消耗1分子ATP，方能使1分子NADH间接进入线粒体完成氧化磷酸化过程，所以就有了2个ATP的差别。
细胞呼吸过程中，1分子葡萄糖完全氧化产生多少个分子ATP?这是高中生物学教学中常常需要讨论的问题。其实这个问题尚未完全解决。长期以来，教科书中的答案是36或38。但是20世纪90年代中期以后，许多生物化学教科书中答案已改为最可能是30或32。原因在于P/O比的测定值（注：P/O比值是指代谢物氧化时每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷原子的摩尔数，即合成ATP的摩尔数 ）。P/O比是被磷酸化的ADP分子数和消耗的O原子数之比。以前认为NADH氧化的P/O比是3，FADH2被氧化的P/O比是2。90年代以后的测定值分别是2.5和1.5。不过真实的数据还因具体的代谢条件而异，可能比这两个数据为低。教学中如果一定要说出具体数字，不要咬定38或36，可以说许多个或30多个。（吴相钰《一分子葡萄糖完全氧化产生多少个ATP》《生物学通报2004年第39卷第10期》 ）
附两大穿梭机制：
一、苹果酸-天冬氨酸穿梭机制
在哺乳动物的肝脏和其它的某些组织，存在着活跃的苹果酸-天冬氨酸穿梭机制(下图)。这一穿梭机制涉及胞液和基质中的苹果酸脱氢酶和天冬氨酸转氨酶，以及线粒体内膜中的转运体。
首先，在苹果酸脱氢酶的催化下，胞液NADH将草酰乙酸还原为苹果酸。
其次，苹果酸经二羧酸转位酶进入线粒体基质。
在基质中，线粒体苹果酸脱氢酶催化苹果酸重新氧化为草酰乙酸，使线粒体内的NAD＋还原为NADH，经呼吸链氧化。
草酰乙酸在线粒体天冬氨酸转氨酶的催化下，与谷氨酸反应生成a-酮戊二酸和天冬氨酸。
a-酮戊二酸经二羧酸转位酶运出线粒体。
天冬氨酸经谷氨酸-天冬氨酸转位酶与谷氨酸交换运出线粒体。
在胞液中，天冬氨酸和a-酮戊二酸在天冬氨酸转氨酶的作用下生成谷氨酸和草酰乙酸，谷氨酸在与天冬氨酸的交换中重新进入线粒体，而草酰乙酸与胞液中的另一分子NADH反应，重复上述循环。
胞液中的NADH经苹果酸-天冬氨酸穿梭途径可以转换为线粒体中的NADH，再经电子传递和氧化磷酸化过程，所以胞液中的一分子NADH也可以生成3分子ATP。
二、甘油磷酸穿梭机制：甘油磷酸穿梭机制及两个酶，胞液中依赖于NAD＋的甘油-3-磷酸脱氢酶和跨膜的甘油-3-磷酸脱氢酶复合物。
首先，在胞液甘油-3-磷酸脱氢酶催化下，NADH使磷酸二羟丙酮还原生成甘油-3-磷酸
然后，甘油-3-磷酸被跨膜的甘油-3-磷酸脱氢酶复合物转换回二羟丙酮磷酸。
在转换过程中，两个电子被转移到跨膜酶的FAD辅基上生成FADH2。FADH2将两个电子转给可移动的电子载体Q，然后再转给泛醌-细胞色素c氧化还原酶（复合物III）。酶-FAD＋甘油-3-磷酸酶-FADH2＋二羟丙酮磷酸
（下图）胞液中的NADH通过这一途径转换成QH2后氧化所产生的能量（2个ATP）比线粒体内NADH氧化的能量（3个ATP）少。