Fosforilasi oksidatif
bola pada ujung akhir F mengandung enam protein yang dapat dibagi menjadi dua jenis: tiga subunit  dan tiga subunit ), manakala bagian "tangkai" terdiri dari satu protein: subunit , dengan ujung tangkai menusuk ke dalam bola subunit  dan . Baik subunit  dan  mengikat nukleotida, namun hanya subunit  yang mengkatalisis reaksi sintesis ATP. Di samping F pula terdapat sebuah subunit berbentuk batang yang menghubungakan subunit  dan  dengan dasar enzim.
Seiring dengan mengalirnya proton melewati membran melalui saluran ini, motor F berotasi. Rotasi dapat disebabkan oleh perubahan pada ionisasi asam amino cincin subunit c, menyebabkan interaksi elektrosatik yang menolak cincin subunit c. Cincin yang berotasi ini pada akhirnya akan memutar "as roda" (tangkai subunit ). Subunit  dan  dihalangi untuk berputar oleh batang samping yang
berfungsi sebagai stator. Pergerakan ujung subunit  yang berada dalam bola subunit  dan  memberikan energi agar tapak aktif pada subunit  menjalankan siklus pergerakan yang memproduksi dan kemudian melepaskan ATP. Reaksi sintesis ATP ini disebut sebagai "mekanisme perubahan ikatan" ("binding change mechanism") dan melibatkan tapak aktif subunit  yang berputar terus dalam tiga keadaan. Pada
keadaan "terbuka", ADP dan fosfat memasuki tapa aktif (ditunjukkan dalam warna coklat pada diagram). Protein kemudian menutup dan mengikat ADP dan fosfat secara longgar (keadaan "longgar" ditunjukkan dalam warna merah). Enzim kemudian berubah bentuk lagi dan memaksa kedua molekul ini bersama, dengan tapak aktif dalam keadaan "ketat" (ditunjukan dalam warna merah jambu)
dan mengikat molekul ATP yang terbentuk. Tapak aktif kemudian kembali lagi ke keadaan terbuka dan melepaskan ATP untuk kemudian mengikat ADP dan fosfat, dan memulai siklus yang baru.
Pada beberapa bakteri dan arkaea, sintesis ATP didorong oleh pergerakan ion natrium yang melalui membran sel daripada pergerakan proton. Arkaea seperti "Methanococcus" juga mengandung AA sintase, sebuah bentuk enzim yang mengandung protein tambahan dengan kemiripan urutan asam amino yang kecil dengan subunit ATP sintase bakteri dan eukariota lainnya. Adalah mungkin bahwa pada
beberapa spesies, bentuk enzim AA adalah ATP-sintase terspesialisasi yang digerakkan oleh natrium, namun ini tidaklah benar pada keseluruhan kasus.
Oksigen molekuler merupakan akseptor elektron akhir yang ideal, karena ia merupakan oksidator kuat. Reduksi oksigen melibatkan zat antara yang berpotensi bahaya. Walaupun transfer empat elektron dan empat proton akan mereduksi oksigen menjadi air, yang tidak berbahaya, transfer satu atau dua elektron akan menghasilkan anion superoksida ataupun anion peroksida, yang sangat reaktif dan berbahaya.
Spesi oksigen reaktif dan produk reaksinya ini seperti radikal hidroksil, sangatlah berbahaya bagi sel, karena akan mengoksidasi protein dan mengakibatkan mutasi pada DNA. Kerusakan ini berkontribusi terhadap penyakit dan diajukan pula merupakan salah satu akibat dari penuaan.
Kompleks sitokrom c sangat efisien mereduksi oksigen menjadi air, dan melepaskan hanya sedikit zat antara yang tereduksi secara parsial. Namun terdapat sejumlah kecil anion superoksida dan peroksida yang diproduksi oleh rantai transpor elektron. Terutama pentingnya adalah pada reduksi koenzime Q pada kompleks III, karena radikal bebas ubikuinon yang sangat reaktif
terbentuk sebagai zat antara dalam siklus Q. Spesi yang tidak stabil ini dapat menyebabkan "kebocoran" elektron ketika elektron ditransfer secara langsung ke oksigen dan menghasilkan superoksida. Karena laju produksi spesi oskigen reaktif oleh kompleks pemompa proton ini tertinggi ketika potensial membran tinggi, diajukan bahwa mitokondria meregulasi aktivitas kompleks untuk
menjaga potensial membran berada dalam kisaran yang kecil sehingga menyeimbangkan produksi ATP terhadap produksi oksidator. Sebagai contohnya, oksidator dapat mengaktivasi UCP ("uncoupling protein") yang menurunkan potensial membran.
Untuk melawan spesi oksigen reaktif ini, sel mengandung sejumlah sistem antioksidan, meliputi vitamin antioksidan seperti vitamin C dan vitamin E, dan enzim antioksidan seperti superoksida dismutase, katalase, dan peroksidase, yang menetralkan spesi reaktif sehingga mengurangi kerusakan sel.
Gugus anion superoksida, senyawa organik yang sangat aktif yang terdapat pada molekul hidrogen peroksida dan jenis ROS lainnya, merupakan produk samping reaksi redoks yang terjadi pada rantai transpor elektron. Gangguan mekanisme produksi ROS dapat berakibat pada berbagai macam patologi seperti diabetes, neurodegenerasi, gagal jantung, "chronic obstructive pulmonary disease". Domain produksi anion superoksida terletak pada kompleks I dan kompleks III.
Dari beberapa senyawa intermediat pengusung satu elektron, radikal bebas SQ dianggap merupakan senyawa yang paling berperan aktif dalam mereduksi molekul oksigen menjadi anion superoksida. Molekul semikuinon dihasilkan kompleks I dan III sebagai hasil reduksi ubikuinon atau oksidasi ubikuinol,
Terdapat beberapa obat dan racun yang dikenal baik menginhibisi fosforilasi oksidatif. Walaupun semua racun hanya menginhibisi satu enzim pada rantai transpor elektron, inhibisi pada langkah apapun pada proses ini akan menghentikan keseluruhan proses. Contohnya, jika oligomisin menginhibisi ATP sintase, proton tidak dapat mengalir balik ke dalam mitokondria.
Akibatnya, pompa proton tidak dapat bekerja, karena gradien konsentrasinya menjadi terlalu kuat untuk diatasi. NADH kemudian tidak akan lagi teroksidasi dan siklus asam sitrat berhenti bekerja karena konsentrasi NAD menurun di bahwa kadar yang cukup agar enzim bekerja.
Tidak semua inhibitor fosforilasi oksidatif bersifat racun. Pada jaringan lemak coklat, saluran proton yang diregulasi disebut UCP ("uncoupling protein"), yang dapat mengawagandengkan respirasi dari sintesis ATP. Respirasi cepat ini menghasilkan panas, dan proses ini sangat penting dalam menjaga suhu tubuh pada hewan yang berhibernasi, walaupun protein ini kemungkinan juga memiliki fungsi umum dalam respon sel terhadap stres.