關于ATP酶催化ADP氧化磷酸化成ATP的機制，先后提出過幾種假說 1、化學偶聯假說；
2、構象假說；
3、化學滲透假說。
目前流行的是化學滲透假說，由英國生物化學家P.Mitchell于1961年提出。該學說很好地說明線粒體內膜中電子傳遞、質子電化學梯度建立、ADP磷酸化的關系，并具有大量的實驗支持，得到公認并獲得了1978年諾貝爾獎。 [1]
化學滲透假說的基本設想是：當高能電子沿呼吸鏈傳遞時，釋放出的能量使質子（H+）從線粒體內膜的基質側泵至膜間隙；內膜形成電化學質子梯度。在該梯度中蘊藏了能量，這種能量經ATP合成酶催化驅使ADP和無機磷酸形成ATP，即為氧化磷酸化過程。此假說依據線粒體的功能有四點具體的假設：
1、呼吸鏈各組成成分在線粒體內膜上有一定的位置。當電子從一種載體傳遞至另一種載體時，將質子泵出基質
2、線粒體ATP合成酶復合體也可跨膜轉運質子，但其作用是可逆的。該復合體利用足夠的電化學質子梯度能量在其內部合成ATP，這時質子由膜間隙通過復合體向基質方向流動；當電化學質子梯度不足以合成ATP時，ATP酶復合體能水解ATP，產生的能量將質子從基質側泵到膜間隙。
3、線粒體內膜一般不允許離子透過，特別是H+、OH-不能自由通透。
4、內膜上含有許多載體蛋白質，作為中間物幫助代謝物和一些無機離子進、出基質腔。