Oksijenli solunum, aynı zamanda aerobik solunum olarak da adlandırılır. Bu süreçte organik besinler oksijen yardımıyla yakılarak ATP elde edilir. Hücre içinde besinlerde bulunan kimyasal enerjinin oksijenle açığa çıkarılması işlemidir. Bu işlem sonucunda toplam 38 ATP üretimi gerçekleşir. Reaksiyonun genel denklemi ise şu şekildedir:

C₆H₁₂O₆ (glikoz) + 6 O₂ (oksijen) → 6 CO₂ (karbondioksit) + 6 H₂O (su) + 38 ATP

Oksijenli solunum üç ana aşamada incelenir:

Çoğu canlı oksijenli solunum yapmaktadır. Besin maddelerindeki enerjinin hücrede oksijen yardımıyla açığa çıkarılması işlemi oksijenli solunum ile gerçekleştirilir. İnsanlar, bitkiler, hayvanlar, mantarlar ve bazı bakteriler bu şekilde solunum yaparlar. Sürüngenler, memeliler, kurbağalar, kuşlar, kabuklu deniz canlıları, balıklar, solucanlar ve yılanlar bu tür solunum yapan canlılardır. Solungaçlar, akciğerler, deri ve trake solunumu yapan canlılar oksijen kullanarak yani oksijenli solunum yaparlar.

Glikoliz sürecinde glikoz, pirüvik aside kadar parçalanır. Glikoz altı karbonlu bir şekerdir ve ilk olarak 1 ATP harcanarak glikoz 6-fosfata dönüştürülür. Daha sonra glikozmonofosfat, fruktozmonofosfata çevrilir ve bu süreçte ATP kullanılmaz. Fruktoz 1,6-bifosfat, iki moleküle ayrılarak her biri üç karbonlu ve bir fosfat içerir. NAD koenzimi, PGAL'den iki hidrojen indirgenir ve bir molekül fosfat bağlanır. Yeni ürün difosfogliserik asit (DPGA) olarak adlandırılır. DPGA'dan bir fosfat bağının koparılması ile 1 ATP üretilir ve bu ürün fosfogliserik asit olarak adlandırılır. Kalan fosfat bağının koparılması ile substrat düzeyde 1 ATP daha üretilir ve glikozun son ürünü pirüvik asit oluşur. Bu süreç on basamaktan oluşur ve iki evreye ayrılır.

Glikolizden elde edilen iki pirüvik asit, oksijen varlığında NAD indirgenmesi ile ve bir molekül karbondioksit çıkarak iki karbonlu asetil-CoA'ya dönüşür. Krebs döngüsü, ortamda dört karbonlu okzaloasetik asit bulunması ile başlar. İki karbonlu asetil-CoA, okzaloasetik asit ile birleşerek altı karbonlu sitrik asidi oluşturur. NAD indirgenmesi ve bir molekül karbondioksit çıkması ile beş karbonlu bir yapı oluşur. Bu yapı, daha sonra dört karbonlu başka bir yapıya dönüşür ve substrat düzeyde fosforilasyon ile 1 ATP üretilir. Bir Krebs döngüsü sırasında iki karbondioksit, bir FADH₂, üç NADH₂ ve bir ATP üretilir. Glikoliz ve Krebs döngüsü aşamalarında açığa çıkan hidrojenler ve elektronlar, elektron taşıma sistemi (ETS) üzerinden geçerek oksijenle birleşir ve su oluşturur. Bu aşama mitokondri iç zarlarında gerçekleşir.