基質レベルのリン酸化

基質的リン酸化では、リン酸化された中間基質からリン酸基（無機リン酸塩）がADPやGDPに転移される。

反応の上流は酸化反応であることが多い。アルデヒドがカルボン酸に酸化される時のエネルギーは、カルボン酸のリン酸エステル化で使用される。生成されたリン酸無水物は高いエネルギーを持つ。ピルビン酸などのケトン基を持つ分子は酸化的脱炭酸（ドイツ語版）される。酸化エネルギーは補酵素Aのチオエステル基に渡される。リン酸基を受け渡された化合物は、ADPやGDPのリン酸化に充分なエネルギーを持つ。

基質的リン酸化は、外部の電子伝達系が呼吸鎖で利用可能か否かにかかわらず速やかにATPを産生できる。ヒトでは、ミトコンドリアのない赤血球や好気呼吸で解糖系が産み出すエネルギーを独占できない状況で起こっている。筋肉系（英語版）では酸素供給が不足していても基質的リン酸化のみでエネルギーを供給できる。にもかかわらず、一般には好気的呼吸や嫌気的呼吸ではより多くのATPを産出できる。

基質的リン酸化反応がなければ、酸化などの反応で放出されたエネルギーは単に熱となって失われてしまう^[1]。