У людини синтез АТФ здійснюється головним чином мітохондріях клітиниСаме тому ці органоїди часто називають клітинними електростанціями. Синтез і розпад АТФ у клітині йде постійно, оскільки ця високоенергетична молекула живе менше однієї хвилини.

Основний синтез АТФ відбувається під час третього етапу енергетичного обміну клітки. Третій етап ще називають кисневим, тому що для його здійснення необхідний кисень. Відбувається він у мітохондріях. Там органічні молекули окислюються, а енергія запасається у вигляді АТФ.

Відбувається у цитоплазмі, без участі кисню (анаеробно). Глюкоза окислюється до двох молекул піровиноградної кислоти, при цьому утворюється енергія у вигляді 2 АТФ і багатих на енергію електронів на переносниках. Відбувається у мітохондріях.

Внутрішня мембрана мітохондрії на відміну від зовнішньої немає спеціальних отворів для транспорту дрібних молекул та іонів; на ній, на боці, зверненій до матрикса, розташовуються особливі молекули АТФ-синтази, що складаються з голівки, ніжки та основи. При проходженні через них протонів відбувається синтез АТФ.