关于氧化磷酸化的机理有多种学说，如中间产物学说、变构学说、化学渗透学说等，其中被广泛接受的是化学渗透学说。

化学渗透学说(chemiosmotic theory)由英国的米切尔（Mitchell　1961）经过大量实验后提出。该学说假设能量转换和偶联机构具有以下特点：①由磷脂和蛋白多肽构成的膜对离子和质子具有选择性　②具有氧化还原电位的电子传递体不匀称地嵌合在膜内　③膜上有偶联电子传递的质子转移系统　④膜上有转移质子的ATP酶。在解释线粒体氧化磷酸化机理时，该学说强调：当氧化进行时，呼吸链起质子泵作用，质子被泵出线粒体内膜之外侧（膜间隙），造成了膜内外两侧间跨膜的电化学势差，后者被膜上ATP合成酶所利用，使ADP与Pi合成ATP（光合电子传递链的电子传递会伴随膜内外两侧产生质子动力(proton motive force,pmf)，并由质子动力推动ATP的合成）。每4个质子顺着电化学梯度，从膜间隙进入线粒体基质中所放出的能量可合成一个ATP分子。一个NADH+H+分子经过电子传递链后，可积累10个质子，因而共可生成2.5个ATP分子；而一个 FADH2分子经过电子传递链后，只积累6个质子，因而只可以生成1.5个ATP分子。许多实验都证实了这一学说的正确性。