Der aerobe Stoffwechsel verwendet Sauerstoff, um der Glukose Energie zu entziehen, und speichert sie in einem biologischen Molekül namens Adenosintriphosphat (ATP). ATP ist die Energiequelle des menschlichen Körpers, und das Aufbrechen von ATP-Molekülen setzt Energie frei, die für eine Vielzahl biologischer Prozesse verwendet wird, einschließlich der Bewegung von Molekülen durch Membranen. Der aerobe Stoffwechsel wird auch als aerobe Atmung, Zellatmung und aerobe Zellatmung bezeichnet. Der anaerobe Stoffwechsel ist eine andere Form des Stoffwechsels, der jedoch ohne Sauerstoff abläuft, aber der menschliche Körper ist nicht darauf ausgelegt, die anaerobe Atmung für lange Zeit aufrechtzuerhalten, und dies verursacht großen Stress.
Die erste Stufe des aeroben Stoffwechsels wird Glykolyse genannt. Die Glykolyse findet im Zytoplasma der Zelle statt. Komplexe Zucker werden durch eine Vielzahl von Enzymen in Glukose zerlegt, und diese Glukose wird dann weiter in zwei Moleküle Brenztraubensäure, auch bekannt als Pyruvat, zerlegt. Die dabei freigesetzte Energie wird in zwei ATP-Molekülen gespeichert. Die Glykolyse ist insofern einzigartig, als sie das einzige Stadium des Stoffwechsels ist, das im Zytoplasma auftritt, und die anderen beiden Stadien finden innerhalb der Mitochondrien statt.
In der zweiten Stufe des aeroben Stoffwechsels, dem Zitronensäurezyklus, werden die beiden Pyruvatmoleküle verwendet, um energiereiche Reduktionsmoleküle zu erzeugen, die später im Atmungsprozess verwendet werden. Einige dieser Moleküle können bei Bedarf direkt in ATP umgewandelt werden, obwohl dies nicht immer der Fall ist. Als Abfallprodukte dieses Kreislaufs entstehen Wasser und Kohlendioxid, weshalb der Mensch Sauerstoff ein- und Kohlendioxid ausatmet. Der Zitronensäurezyklus liefert wie die Glykolyse 2 ATP.
Die letzte Stufe des aeroben Stoffwechsels wird als Elektronentransportkette bezeichnet und findet an der inneren Membran der Mitochondrien statt. In diesem Schritt werden die energiereichen Moleküle aus dem Zitronensäurezyklus verwendet, um einen positiven Ladungsgradienten aufrechtzuerhalten, der als chemiosmotischer Gradient bezeichnet wird und der verwendet wird, um viele ATP-Moleküle zu erzeugen. Dieser Schritt erzeugt das meiste ATP aus dem aeroben Stoffwechselprozess, wodurch durchschnittlich etwa 32 ATP-Moleküle entstehen. Nachdem die Elektronentransportkette ATP erzeugt hat, können die energiereichen Moleküle vom Zitronensäurezyklus wiederverwendet werden.
Der aerobe Stoffwechsel erzeugt ungefähr 36 Moleküle ATP. Anaerobe Atmung erzeugt nur etwa zehn Prozent dieser Menge. Die Verwendung von Sauerstoff ist am Ende der Elektronentransportkette am wichtigsten, da er den chemiosmotischen Gradienten unterstützt. Die Existenz eines sauerstoffabhängigen Stoffwechsels ist der Grund, warum Mitochondrien allgemein als das Kraftwerk des Körpers bekannt sind.