Quimiosmose é o movimento de íons através de uma membrana seletivamente permeável, para baixo de seu gradiente eletroquímico. Mais especificamente, ela relaciona-se com a geração de ATP, pelo movimento de ions hidrogênio através da membrana durante a respiração celular.
Um gradiente de ions tem uma energia potencial e pode ser utilizado para as reações químicas de energia quando os ions passam através de um canal(fig. em vermelho).

Ions de hidrogênio (prótons) vão se  difundir a partir de uma zona de alta concentração de prótons a uma área inferior da concentração de prótons.

Peter D. Mitchell propos esta hipótese quimiosmótica em 1961. Essencialmente a teoria sugere que a síntese de ATP em células que respiram vem do gradiente eletroquímico através da membrana interna de mitocôndrias, usando a energia do NADH e FADH2 formado a partir da quebra de moléculas ricas em energia, tal como glicose.

Moléculas como a glicose são metabolizadas para produzir acetil-CoA como um intermediário rico em energia. A oxidação de acetil-CoA na matriz mitocondrial está acoplada à redução de uma molécula transportadora tal como NAD+ e FAD. Os transportadores passam elétrons pela cadeia de transporte de elétrons (CTE) na membrana mitocondrial interna, que por sua vez passará a outras proteínas no ETC. A energia disponível nos elétrons é usada para bombear prótons a partir da matriz através da membrana mitocondrial interna, armazenar energia sob a forma de um gradiente eletroquímico transmembranar.

ATP sintase é a enzima que faz ATP utilizando a  quimiosmose. Ele permite que prótons passem através da membrana e utilizam a energia cinética para fosforilar ADP, tornando-o ATP. A produção de ATP por quimiosmose ocorre nos cloroplastos e mitocôndrias, bem como na maior parte das bactérias e archaea.

Esta foi uma proposta radical na época, e não foi bem aceita. A opinião prevalecente era que a energia de transferência de elétrons era armazenada como um intermediário estável de alto potencial, um conceito quimicamente mais conservador.

O problema com o velho paradigma é que nenhum intermediário de alta energia jamais foi encontrado, e as provas para o bombeamento de prótons pelos complexos da cadeia de transferência de elétrons ficaram grandes demais para ser ignorado. Eventualmente, o peso das evidências começou a favorecer a hipótese quimiosmótica, e, em 1978, Peter Mitchell foi agraciado com o Prêmio Nobel de Química.