第一阶段是糖酵解途径，发生在细胞质中。葡萄糖或糖原首先在一系列酶的催化作用下经过多步反应生成丙酮酸。在这个过程中，葡萄糖被逐步磷酸化和裂解，经过己糖激酶、磷酸果糖激酶 -1等关键酶的作用，将葡萄糖转变为果糖 -1,6 -二磷酸，然后裂解为两分子磷酸丙糖，最终生成丙酮酸。同时，在糖酵解过程中还会产生少量的 ATP 和 NADH，为后续的反应提供能量和还原当量。细胞质为糖酵解提供了适宜的环境和各种酶所需的底物，使得这一过程能够高效进行。
第二阶段是丙酮酸氧化脱羧，发生在线粒体的基质中。在细胞质中生成的丙酮酸会通过线粒体膜上的转运体进入线粒体基质。在这里，丙酮酸在丙酮酸脱氢酶复合体的催化下，进行氧化脱羧反应，生成乙酰 CoA。丙酮酸脱氢酶复合体是一个多酶体系，包含了多种酶和辅酶，它将丙酮酸的羧基以二氧化碳的形式脱去，同时将剩余的部分与辅酶 A 结合形成乙酰 CoA。这一过程不仅产生了重要的中间产物乙酰 CoA，还生成了 NADH，进一步为后续的能量生成做准备。
第三阶段是三羧酸循环和氧化磷酸化，主要在线粒体内膜上进行。乙酰 CoA 进入三羧酸循环，在一系列酶的催化下，经过多次反应，逐步氧化分解，释放出二氧化碳，并产生大量的 NADH 和 FADH₂。这些还原当量会通过呼吸链传递电子，最终与氧结合生成水。在电子传递的过程中，会建立起跨线粒体内膜的质子电化学梯度，驱动 ATP 合酶合成 ATP，这就是氧化磷酸化过程。线粒体具有双层膜结构，内膜上富含呼吸链复合物和 ATP 合酶等关键蛋白，为三羧酸循环和氧化磷酸化提供了良好的场所和必要的条件，使得细胞能够高效地利用有氧氧化过程产生大量的 ATP，满足机体各种生理活动的能量需求。
