ATP合酶，又称F0F1-ATP酶在细胞内催化能源物质ATP的合成。在呼吸或光合作用过程中通过电子传递链释放的能量先转换为跨膜质子(H+)梯差，之后质子流顺质子梯差通过ATP合酶可以使ADP+Pi合成ATP。

ATP合酶（ATP synthase）广泛分布于线粒体内膜，叶绿体类囊体，异养菌和光合菌的质膜上，参与氧化磷酸化和光合磷酸化，在跨膜质子动力势的推动下合成ATP。分子结构由突出于膜外的F1亲水头部和嵌入膜内的Fo疏水尾部组成。

F1和Fo通过“转子”和“定子”连接在一起，在合成水解ATP过程中，“转子”在通过Fo的氢离子流推动下旋转，每分钟旋转100次，依次与三个β亚基作用，调节β亚基催化位点的构象变化；“定子”在一侧将α3，β3与Fo连接起来。作用之一就是将跨膜质子动力势能转换成力矩（torsion），推动“转子”旋转。

ATP合酶在线粒体内膜上的分布不对称，数量也不相等。