Наиболее эффективный способ синтеза АТФ использует энергию градиента электрохимического потенциала (см. Процессы пищеварения) для образования АТФ из АДФ (ADP) и неорганического фосфата. Энергия для создания такого градиента возникает в результате окислительно-восстановительного процесса. Этот механизм называют окислительным фосфорилированием. Транспортирующая Н+ АТФ-синтаза (см. Моноклональные антитела, иммуноанализ) использует для синтеза АТФ энергию градиента потенциала. У эукариот окислительное фосфорилирование происходит только в присутствии кислорода (то есть в аэробных условиях).
Второй, эволюционно более ранний способ синтеза АТФ осуществляется в анаэробных условиях. Он основан на переносе фосфатных остатков на АДФ через метаболит с высоким потенциалом переноса фосфатных групп. В качестве примера здесь представлено образование АТФ из креатин-фосфата — соединения, которое служит в мышцах энергетическим ресурсом (см. Источники энергии). Формально перенос фосфатной группы с креатинфосфата на АДФ является суммарной реакцией гидролиза креатинфосфата (а) и синтеза АТФ (б).