Az ATP szintézis mechanizmusának jelenleg elfogadott magyarázata az ún. kemiozmotikus teórián alapszik. Ennek lényege, hogy a nagy energiájú elektronok végighaladva az elektonszállító rendszer tagjain energiát adnak le, és ez az energia arra használódik, hogy protonokat halmozzon fel az intramembrán térben, átpumpálva azokat a belső membránon. Így egy ún. elektrokémiai proton grádiens (∆ψ) jön létre a belső membránon belüli mátrix illetve az intermembrán tér között. Ugyanis a két membrán között felhalmozódó H+ ionok egyrészt jelentős feszültségkülönbséget, másrészt pH különbséget hoznak létre a belső membrán két oldala között. Ez az elektrokémai proton grádiens „hajtja”, akár egy szélkereket a szél, a belső membrán kulcsfontosságú enzimjét az ATPszintázt. Az enzimkomplex transzmembrán része egy proton csatorna, míg a mátrix felé néző feji része felelős az ATP szintézisért. A kettős arculatú enzim egyaránt képes ATP-t szintetizálni, ha – megfelelően nagy potenciálkülönbség van a membrán két oldalán –, és ATP-t bontani, ennek hiányában. Így tehát ha kellően nagy a potenciálkülönbség, az átáramló protonok hatására ATP szintetizálódik. A mitokondriális ATP szintázhoz hasonló enzimkomplex található a zöld színtestek gránumainak membránjaiban és a baktériumok plazmamembránjaiban is (VIII.2. ábra).