Окисли́тельное фосфорили́рование, в биохимии — образование аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) из аденозиндифосфорной и фосфорной кислот за счет энергии, освобождающейся при окислении органических веществ в живых клетках.
В результате окислительного фосфорилирования в клетках накапливается АТФ — макроэргическое соединение, расходуемое на обеспечение энергией процессов жизнедеятельности. Окислительное фосфорилирование было открыто В.А. Энгельгардтом (1930) при работе с эритроцитами птиц. В 1939 году В.А. Белицер и Е.Т. Цыбакова показали, что окислительное фосфорилирование сопряжено с переносом электронов в процессе дыхания; к такому же заключению позднее пришел Г.М. Калькар. Электроны поступают в дыхательную цепь от восстановленного никотинамид адениндинуклеотидаили никотинамид адениндинуклеотидфосфата и через кофермент последовательно передаются от соединений с более отрицательным окислительно-восстановительным потенциалом к соединениям с более положительным потенциалом. Перенос электронов по цепи завершается восстановлением кислорода О2 с помощью сложного ферментного комплекса — цитохромоксидазы. Процесс окисления субстрата кислородом опосредован серией окислительно-восстановительных реакций; в результате каждой из этих реакций энергия, запасенная в молекуле окисляемого субстрата, освобождается небольшими порциями, что позволяет клетке использовать ее более полно. Утилизация высвобождаемой энергии происходит в пунктах энергетического сопряжения. Синтез АТФ из АДФ и фосфата осуществляется ферментным комплексом АТФ-синтетазой, который может катализировать и обратную реакцию — расщепление АТФ.