线粒体是进行有氧呼吸的主要场所。有氧呼吸是指细胞或微生物在氧的参与下，通过多种酶的催化作用，把有机物彻底氧化分解（通常以分解葡萄糖为主），产生二氧化碳和水，释放能量，合成大量ATP的过程。
有氧呼吸生物化学将有氧呼吸主要分为两个阶段。第一阶段，是在细胞质里进行的糖酵解：即在无氧条件下把葡萄糖转化为丙酮酸，并产生少量ATP和NADH。
第二阶段，是在线粒体进行的柠檬酸循环：即在有氧条件下把丙酮酸转化为二氧化碳和水，并产生少量的GTP和大量的NADH与FADH2。
最终，糖酵解和柠檬酸循环所产生的NADH和FADH2进入氧化磷酸化过程，代谢产生大量ATP。至此完成有氧呼吸的全过程。
线粒体线粒体拥有自身的遗传物质和遗传体系，但其基因组大小有限，是一种半自主细胞器。除了为细胞供能外，线粒体还参与诸如细胞分化、细胞信息传递和细胞凋亡等过程，并拥有调控细胞生长和细胞周期的能力。