細胞呼吸是一組代謝反應和過程發生在細胞的生物體轉換化學能量從氧分子或營養物到三磷酸腺苷（ATP），然后釋放廢物。與呼吸有關的反應是分解代謝反應，將大分子分解為較小的分子，由于弱的高能鍵，特別是分子氧中的高能鍵，釋放能量。被產品中更牢固的結合所取代。呼吸是細胞釋放化學能以促進細胞活動的關鍵方法之一。整個反應發生在一系列生化步驟中，其中一些是氧化還原反應。盡管從技術上講細胞呼吸是一種燃燒反應，但由于它是從一系列反應中緩慢而受控地釋放能量，因此它顯然不像在活細胞中發生的呼吸反應。

沒有氧氣、丙酮酸不會被細胞呼吸代謝，而是會經歷發酵過程。丙酮酸不會轉運到線粒體中，而是保留在細胞質中，然后轉化為可以從細胞中去除的廢物。這用于氧化電子載體的目的，使得它們可以再次進行糖酵解并除去過量的丙酮酸。發酵會將NADH氧化為NAD ^+，因此可以在糖酵解中重復使用。在沒有氧氣的情況下，發酵可防止NADH在細胞質中積累，并為糖酵解提供NAD?⁺。該廢物取決于生物體。在骨骼肌中，廢物是乳酸。這種發酵稱為乳酸發酵。在劇烈運動中，當能量需求超過能量供應時，呼吸鏈無法處理由NADH連接的所有氫原子。在厭氧糖酵解期間，當氫對與丙酮酸結合形成乳酸時，NAD?⁺再生。乳酸脫氫酶在可逆反應中催化乳酸的形成。乳酸也可以用作肝糖原的間接前體。在恢復過程中，當有氧氣可用時，NAD?⁺會與乳酸中的氫附著形成ATP。在酵母中，廢物是乙醇和二氧化碳。這種發酵稱為酒精發酵或乙醇發酵。在此過程中生成的ATP是通過不需要氧氣的底物級磷酸化而制得的。

發酵利用葡萄糖產生的能量效率較低：與有氧呼吸名義上產生的38 ATP /葡萄糖相比，每個葡萄糖僅產生2 ATP。這是因為有氧呼吸的大部分能量來自O?₂及其相對較弱的高能量雙鍵。但是，糖酵解ATP的創建速度更快。為了使原核生物在從有氧環境轉變為厭氧環境時繼續保持快速的生長速度，必須提高糖酵解反應的速度。對于多細胞生物，在短暫的劇烈運動中，肌肉細胞通過發酵來補充有氧呼吸速度較慢所產生的ATP，因此即使在氧水平耗盡之前，細胞也可以使用發酵，例如在體育運動中不需要運動員像沖刺那樣適應自己的節奏。

細胞呼吸是生物燃料在高能無機電子受體（例如氧氣）存在下被氧化以產生大量能量，從而推動ATP大量生產的過程。

厭氧呼吸被某些微生物使用，其中氧氣或丙酮酸衍生物（發酵）都不是高能最終電子受體。而是使用無機受體，例如硫酸鹽（SO42-）、硝酸鹽（NO3-）或硫（S）。種生物通常在不尋常的地方發現，例如水下洞穴或海底熱液噴口附近。

2019年7月，加拿大基德（Kidd）礦的一項科學研究發現了呼吸硫的生物，它們生活在地表以下7900英尺處，并且為了生存而呼吸硫。由于消耗礦物質如黃鐵礦作為它們的食物來源，這些生物也很引人注目。