การถ่ายทอดอิเล็กตรอน (electron transport chain : ETC) เกิดขึ้นที่เยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรียตรงส่วนที่เรียกว่า คริสตี (cristae) โดยจะเกิดขึ้นเป็นทอด ๆ ผ่านตัวนำอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นกลุ่มของโปรตีน (protein complex) ที่ฝังตัวอยู่บนเยื่อหุ้มชั้นใน ของไมโทคอนเดรีย กลุ่มโปรตีนเหล่านี้ ได้แก่ complex I, II, III และ IV ลำดับของการถ่ายทอดอิเล็กตรอนแสดงไว้ ดังภาพที่ 5 นอกจากกลุ่มโปรตีน 4 กลุ่มนี้แล้ว บนเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรียยังมี โคเอนไซม์ Q และไซโตโครม c ซึ่งสามารถเคลื่อนที่ได้เพื่อช่วยในการถ่ายทอดอิเล็กตรอนระหว่างกลุ่มโปรตีนเหล่านั้น เมื่ออิเล็กตรอนถูกส่งไปยังตัวรับตัวสุดท้ายก็จะมีออกซิเจน (O₂) มาทำหน้าที่รับอิเล็กตรอนเป็นตัวสุดท้าย ได้ผลิตภัณฑ์เป็นน้ำ (H₂O) 

ภาพที่ 7 กระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอน

ที่มา: http://porpax.bio.miami.edu/~cmallery/150/makeatp/c8.9x16.chemiosmosis.jpg

ผนังชั้นในของไมโตคอนเดรียมีกลุ่มโปรตีนที่เรียก ATP synthase อยู่เป็นจำนวนมาก ATP synthase เป็นเอนไซม์ที่ประกอบด้วยหน่วยย่อยหลายหน่วย กลุ่มหนึ่งของหน่วยย่อยทำหน้าที่เป็นช่องให้โปรตอนผ่าน อีกกลุ่มหนึ่งทำหน้าที่จับกับ ADP และ Pi เพื่อสร้าง ATP การส่งอิเล็กตรอนต่อเป็นทอด ๆ ในระบบถ่ายทอดอิเล็กตรอน ทำให้เกิดการสูบโปรตอนจากข้างในแมทริกซ์ผ่านเยื่อหุ้มชั้นใน ส่งผลให้ความเข้มข้นของโปรตอนในสองข้างของเยื่อหุ้มต่างกัน คือทางด้านแมทริกซ์จะต่ำและทางด้านช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้ม (intermembrane space) จะสูง และเกิดความต่างศักย์ที่เยื่อหุ้ม โดยทางด้านแมทริกซ์จะเป็นลบ ทางด้านช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเป็นบวก แรงที่เกิดจากความต่างศักย์ที่เยื่อหุ้มและความแตกต่างของความเข้มข้นของโปรตอน จะรวมกันเกิดเป็นแรงขับเคลื่อนโปรตอน เพื่อนำโปรตอนผ่านเยื่อหุ้มชั้นในกลับไปยังแมทริกซ์ โดยมี ATP synthase ทำหน้าที่เป็นช่องทางผ่าน การผ่านของไฮโดรเจนอิออนทำให้เกิดพลังงานที่ช่วยผลักดันให้เกิดการสร้าง ATP โดยการรวมตัวของ ADP กับฟอสเฟตโดยการควบคู่พลังงาน