تؤدي الخلايا وظائف الحياة من خلال تفاعلات كيميائية مختلفة. يشير أيض الخلية إلى مجموعة التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخلها. تعمل التفاعلات الهدمية على تكسير المواد الكيميائية المعقدة إلى مواد أبسط وترتبط بإطلاق الطاقة. أما العمليات البنائية فتبني جزيئات معقدة من جزيئات أبسط وتتطلب طاقة.

عند دراسة الطاقة، يشير مصطلح النظام إلى المادة والبيئة المشاركة في انتقالات الطاقة. الإنتروبيا هي مقياس لاضطراب النظام. القوانين الفيزيائية التي تصف انتقال الطاقة هي قوانين الديناميكا الحرارية. ينص القانون الأول على أن الكمية الكلية للطاقة في الكون ثابتة. وينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن كل انتقال للطاقة ينطوي على بعض الفقدان للطاقة في شكل غير قابل للاستخدام، مثل الطاقة الحرارية. تأتي الطاقة بأشكال مختلفة: حركية، كامنة، وحرة. يمكن أن يكون التغير في الطاقة الحرة للتفاعل سالبًا (يطلق الطاقة، طارد للطاقة) أو موجبًا (يستهلك الطاقة، ماص للطاقة). تتطلب جميع التفاعلات مدخلًا أوليًا من الطاقة للمضي قدمًا، ويسمى طاقة التنشيط.

الإنزيمات هي محفزات كيميائية تسرّع التفاعلات الكيميائية عن طريق خفض طاقة تنشيطها. تحتوي الإنزيمات على موقع فعال ذي بيئة كيميائية فريدة تناسب متفاعلات كيميائية معينة لذلك الإنزيم، وتسمى الركائز. يُعتقد أن الإنزيمات والركائز ترتبط وفقًا لنموذج التلاؤم المستحث. يتم تنظيم عمل الإنزيم للحفاظ على الموارد والاستجابة المثلى للبيئة.

يعمل ATP كعملة طاقة للخلايا. يسمح للخلايا بتخزين الطاقة لفترة وجيزة ونقلها داخلها لدعم التفاعلات الكيميائية الماصة للطاقة. تركيب ATP هو تركيب نيوكليوتيد RNA مع ثلاث مجموعات فوسفات مرتبطة به. عندما يُستخدم ATP للطاقة، يتم فصل مجموعة فوسفات، وينتج ADP. تُستخدم الطاقة المشتقة من هدم الجلوكوز لإعادة شحن ADP إلى ATP.

تحلل السكر هو المسار الأول المستخدم في تكسير الجلوكوز لاستخلاص الطاقة. ولأنه يُستخدم من قبل جميع الكائنات الحية تقريبًا على الأرض، فلا بد أنه قد تطور مبكرًا في تاريخ الحياة. يتكون تحلل السكر من جزأين: الجزء الأول يهيئ حلقة الجلوكوز سداسية الكربون للانفصال إلى سكرين ثلاثيي الكربون. يتم استثمار الطاقة من ATP في الجزيء خلال هذه الخطوة لتنشيط الانفصال. يستخلص النصف الثاني من تحلل السكر ATP وإلكترونات عالية الطاقة من ذرات الهيدروجين ويربطها بـ NAD⁺. يتم استثمار جزيئين من ATP في النصف الأول وتتكون أربعة جزيئات من ATP خلال النصف الثاني. ينتج عن ذلك كسب صافٍ من جزيئين من ATP لكل جزيء جلوكوز للخلية.

دورة حمض الستريك هي سلسلة من التفاعلات الكيميائية التي تزيل الإلكترونات عالية الطاقة وتستخدمها في سلسلة نقل الإلكترون لتوليد ATP. يتم إنتاج جزيء واحد من ATP (أو ما يعادله) لكل دورة من الدورة.

سلسلة نقل الإلكترون هي الجزء من التنفس الهوائي الذي يستخدم الأكسجين الحر كمستقبل نهائي للإلكترونات التي أُزيلت من المركبات الوسيطة في هدم الجلوكوز. تمر الإلكترونات عبر سلسلة من التفاعلات الكيميائية، مع استخدام كمية صغيرة من الطاقة الحرة في ثلاث نقاط لنقل أيونات الهيدروجين عبر الغشاء. يساهم هذا في التدرج المستخدم في التناضح الكيميائي. عندما تمر الإلكترونات من NADH أو FADH₂ عبر سلسلة نقل الإلكترون، فإنها تفقد الطاقة. نواتج سلسلة نقل الإلكترون هي الماء و ATP. يمكن تحويل عدد من المركبات الوسيطة إلى بناء جزيئات كيميائية حيوية أخرى، مثل الأحماض النووية، والأحماض الأمينية غير الأساسية، والسكريات، والدهون. يمكن لهذه الجزيئات نفسها، باستثناء الأحماض النووية، أن تعمل كمصادر طاقة لمسار الجلوكوز.

إذا تعذر استقلاب NADH عبر التنفس الهوائي، يتم استخدام مستقبل إلكترون آخر. تستخدم معظم الكائنات الحية شكلاً من أشكال التخمر لإنجاز تجديد NAD⁺، مما يضمن استمرار تحلل السكر. لا يصاحب تجديد NAD⁺ في التخمر إنتاج ATP؛ ولذلك، فإن إمكانية NADH لإنتاج ATP باستخدام سلسلة نقل الإلكترون لا يتم استغلالها.

يرتبط هدم وتخليق الكربوهيدرات والبروتينات والدهون بمسارات هدم الجلوكوز. تشمل الكربوهيدرات التي يمكن أن تدخل أيضًا في هدم الجلوكوز الغالاكتوز والفركتوز والغلايكوجين. ترتبط هذه بتحلل السكر. ترتبط الأحماض الأمينية من البروتينات بهدم الجلوكوز عبر البيروفات، وأسيتيل مرافق الإنزيم أ، ومكونات دورة حمض الستريك. يبدأ تخليق الكوليسترول بأسيتيل مرافق الإنزيم أ، وتلتقط مكونات ثلاثي الغليسريد بواسطة أسيتيل مرافق الإنزيم أ وتدخل دورة حمض الستريك.