线粒体主要通过三羧酸循环、电子传递链和ATP合成酶等机制影响细胞能量代谢。这些过程协同作用将有机物中的化学能转化为可直接利用的ATP能量，维持细胞生命活动。
1、三羧酸循环
线粒体基质中进行的柠檬酸循环是能量代谢核心环节。糖类、脂肪分解产生的乙酰辅酶A在此处与草酰乙酸结合，经过8步酶促反应彻底氧化，生成3分子NADH、1分子FADH2及2分子CO₂。这些高能电子载体为后续产能提供原料，同时产生细胞代谢所需的中间产物。
2、电子传递链
位于线粒体内膜的呼吸链复合体通过氧化还原反应实现能量转化。NADH和FADH2携带的电子经复合体Ⅰ-Ⅳ传递，过程中释放的能量将基质中质子泵入膜间隙，形成跨膜电化学梯度。这种质子驱动力是ATP合成的能量基础，同时在此过程中消耗氧气生成水。
3、ATP合成酶
嵌于线粒体内膜的F0F1复合体是生物界最精密的分子马达之一。质子顺浓度梯度回流时驱动其转子旋转，使β亚基构象改变催化ADP与无机磷酸结合。每个完整质子回流周期可生成3个ATP分子，这种化学渗透偶联机制的能量转化效率可达40%以上。
线粒体膜的选择通透性对能量代谢具有重要调控作用。内膜上的腺苷酸转位酶特异性转运ADP/ATP，维持细胞质与线粒体间的能量物质平衡。建议保持规律作息和均衡营养，避免长期接触线粒体毒素（如氰化物），适度运动可促进线粒体生物发生，有助于维持细胞能量代谢稳态。