細胞色素氧化酶催化的整體反應是： 4 Fe-細胞色素c + 8 H進 + O2 → 4 Fe-細胞色素c + 2 H2O + 4 H出 整個催化過程 如下：首先兩個電子從兩個細胞色素c分子通過CuA和細胞色素a傳遞到細胞色素a3-CuB雙核中心，將中心的金屬還原為Fe和Cu。連接兩個金屬離子的氫氧根在被質子化后生成水分子而被釋放，從而兩個金屬離子之間產生了一個空腔，這一空腔被一個氧氣分子所填充。
氧氣分子與細胞色素a3中的鐵原子結合形成鐵氧結合形式（Fe-O2）。結合的氧很快被還原，其中一個氧原子與鐵形成Fe=O形式；
而另一個接近CuB的氧原子接受來自Cu的一個電子和來自Tyr244上羥基的一個電子和一個質子，被轉化為一個氫氧根，同時Tyr244轉變為酪氨酰自由基。來自另一個細胞色素c分子的第三個電子通過相同的途徑被傳遞到細胞色素a3-CuB雙核中心，隨后這個電子和兩個質子將酪氨酰自由基重新還原為酪氨酸，并將結合在CuB上的氫氧根轉化為水分子。
同樣來自細胞色素c分子的第四個電子在進入細胞色素a3-CuB雙核中心后，將Fe=O還原為Fe，同時氧原子接受一個質子轉變為一個氫氧根連接于細胞色素a3-CuB中心，從而整個循環回到起始狀態。整個反應過程凈利用了4個還原的細胞色素c分子（提供4個電子）、4個質子（消耗8個，產生4個），將一個氧氣分子還原為兩個水分子。