Kemiosmoz; iyonların, elektrokimyasal gradyanı azaltmak için seçici geçirgen bir zardan geçme hareketidir. Hücresel solunumdaki ATP sentezinin gerçekleşmesini sağlayan enerjinin büyük bir kısmı hidrojenlerin yaptığı bu hareketten karşılanır.
Hidrojen iyonları (protonlar) proton konsantrasyonun yüksek olduğu yerden düşük olduğu yere doğru difüzyon hareketi yaparlar. Peter Mitchell, protonların zarın tarafları arasında oluşturduğu elektrokimyasal konsantrasyon gradyanından ATP üretiminde yararlanılıyor olabileceğini ileri sürdü. Mitchell, bu teoriyi osmozdan (suyun difüzyonu) yola çıkarak ortaya attığı için bu olay kemiosmoz olarak bilinir.
ATP-sentaz kemiosmoz aracılığıyla ATP sentezleyen enzimdir. ATP-sentaz protonların zardan geçmelerine imkân vererek; protonların sahip oldukları kinetik enerjiyi, ATP fosforilasyonu yapmak için kullanır. Bu mekanizmayla ATP üretimi kloroplast ve mitokondrinin yanı sıra bazı bakteri türlerinde de görülür.