La cadena respiratoria donde tiene lugar la transferencia de electrones desde el NADH hasta el O2 se encuentra en las membranas internas de las mitocondrias (eucariotas). Puede verse que el flujo de electrones es energéticamente favorable a través de los componentes de la cadena. La energía se va liberando gradualmente (pero ha tres saltos mayores, a nivel de los complejos I, III, IV). La energía (liberada en dichos saltos) se emplea en bombear protones desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembranoso. La vuelta de los protones hacia la matriz, a favor de gradiente, se realiza a traves del complejo ATP-sintetasa y libera energía que se utiliza para producir ATP

Por cada par de electrones que son transferidos desde el NADH hasta el O2 se sintetizan 3 moléculas de ATP, mientras que si los electrones son cedidos a la cadena respiratoria por el FADH2 solo se sintetizan 2 ATP

Así pues, la teoría quimiosmótica relaciona los tres procesos de:
Transporte de electrones desde el NADH hasta el 02 → Bombeo de protones → Formación de ATP