ATP合酶由兩部分組成（Fo-F1），球狀的頭部F1突向基質液，水溶性。亞單位Fo埋在內膜的底部，是疏水性蛋白，構成H+ 通道。在生理條件下，H+ 只能從膜外側流向基質，通道的開關受柄部某種蛋白質的調節。
ATP合酶，又稱“復合體V”，是氧化磷酸化途徑中的終點酶。無論在原核生物還是真核生物中，這種酶的形式和作用方式都相同。它用存儲在跨膜質子梯度的能量，驅動ADP和磷酸鹽（Pi）合成ATP。合成一個ATP分子所需的質子數估計為為3至4個，有人認為細胞可以調節這一比例以適應不同的條件。
