ปฏิกิริยาออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชัน (อังกฤษ: Oxidative phosphorylation) เป็นวิถีเมแทบอลิซึมซึ่งใช้พลังงานที่ปลดปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาออกซิเดชันของสารอาหารเพื่อสร้างอะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (ATP) ซึ่งเป็นโมเลกุลที่เก็บสะสมพลังงานเพื่อใช้ในเมแทบอลิซึม แม้สิ่งมีชีวิตต่าง ๆ บนโลกจะใช้สารอาหารต่างกัน แต่สิ่งมีชีวิตที่อาศัยออกซิเจนแทบทุกชนิดล้วนเกิดปฏิกิริยาออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชันเพื่อสร้าง ATP สาเหตุที่วิถีนี้พบได้แพร่หลายอาจเป็นเพราะมันเป็นวิถีที่ทรงประสิทธิภาพในการปลดปล่อยพลังงาน เมื่อเทียบกับกระบวนการการหมักทางเลือก เช่น ไกลโคไลสิสแบบไม่ใช้ออกซิเจน (anaerobic glycolysis)ระหว่างปฏิกิริยาออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชัน อิเล็กตรอนจะถูกขนส่งจากตัวให้อิเล็กตรอนไปยังตัวรับอิเล็กตรอน เช่น ออกซิเจน ในปฏิกิริยารีดอกซ์ ปฏิกิริยารีดอกซ์เหล่านี้ปลดปล่อยพลังงาน ซึ่งถูกใช้เพื่อสร้าง ATP ในยูคาริโอต ปฏิกิริยารีดอกซ์เหล่านี้ดำเนินโดยโปรตีนคอมเพลกซ์ภายในผนังระหว่างเยื่อหุ้มไมโทคอนเดรีย ขณะที่ในโปรคาริโอต โปรตีนเหล่านี้พบได้ในช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์ ชุดโปรตีนที่เกี่ยวโยงกันนี้เรียกว่า ลูกโซ่ของการขนส่งอิเล็กตรอน (electron transport chain) ในยูคาริโอต มีโปรตีนคอมเพลกซ์จำนวนห้าคอมเพลกซ์เข้ามาเกี่ยวข้อง ขณะที่ในโปรคาริโอต อาจพบเอนไซม์หลายชนิด โดยใช้ตัวให้และรับอิเล็กตรอนที่หลากหลายพลังงานที่อิเล็กตรอนปลดปล่อยออกมาและไหลผ่านลูกโซ่ของการขนส่งอิเล็กตรอนนี้ถูกนำไปใช้เพื่อขนส่งอิเล็กตรอนข้ามเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย ในกระบวนการที่เรียกว่า เคมิออสโมซิส (chemiosmosis) ซึ่งสร้างพลังงานศักย์ในรูปของความแตกต่าง (gradient) ของค่า pH และศักย์ไฟฟ้าข้ามเยื่อหุ้มนี้ การเก็บสะสมพลังงานดังกล่าวจะลดลงเมื่อโปรตอนไหลกลับผ่านเยื่อหุ้มและลดความแตกต่างนี้ ผ่านเอนไซม์ขนาดใหญ่ที่เรียกว่า เอทีพีซินเทส (ATP synthase) เอนไซม์นี้ใช้พลังงานดังกล่าวเพื่อสร้าง ATP จากอะดีโนซีนไดฟอสเฟต (ADP) ในปฏิกิริยาฟอสโฟรีเลชัน ปฏิกิริยานี้ถูกขับเคลื่อนโดยการไหลของโปรตอน ซึ่งทำให้เกิดการหมุนบางส่วนของเอนไซม์ เอทีพีซินเทสเป็นมอเตอร์กลแบบหมุนแม้ว่า ปฏิกิริยาออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชันจะเป็นส่วนสำคัญของเมแทบอลิซึม แต่ปฏิกิริยาดังกล่าวก็ผลิตออกซิเจนที่เกิดปฏิกิริยาได้ (reactive oxygen) อย่างซูเพอร์ออกไซด์และไฮโดรเจนเพอร์ออกไซด์ ซึ่งนำไปสู่การแพร่กระจายของอนุมูลอิสระ ซึ่งก่อให้เกิดความเสียหายแก่เซลล์ และเป็นสาเหตุหนึ่งของโรคภัยต่าง ๆ และอาจรวมถึงการสูงวัย (ภาวะสู่วัยชรา) ด้วย ยาและพิษหลายชนิดมีฤทธิ์ยับยั้งกิจกรรมของเอนไซม์ที่ดำเนินวิถีเมแทบอลิซึม