NAD 參與能量代謝主要體現在細胞呼吸的多個關鍵環節，具體過程如下：
糖酵解過程
在細胞質中進行的糖酵解是葡萄糖分解的第一步，1 分子葡萄糖經過一系列反應最終生成 2 分子丙酮酸。在這個過程中，3 - 磷酸甘油醛在 3 - 磷酸甘油醛脫氫酶的作用下被氧化，同時將 NAD?還原為 NADH，此步反應產生了能量代謝過程中的第一個 NADH。每分子葡萄糖經糖酵解可產生 2 分子 NADH，這些 NADH 攜帶的電子和質子將在后續的能量生成過程中發揮重要作用。
三羧酸循環
糖酵解產生的丙酮酸進入線粒體后，在丙酮酸脫氫酶復合體的作用下生成乙酰輔酶 A，乙酰輔酶 A 與草酰乙酸結合進入三羧酸循環。在三羧酸循環中，異檸檬酸在異檸檬酸脫氫酶的作用下氧化脫羧生成 α- 酮戊二酸，同時將 NAD?還原為 NADH；α- 酮戊二酸在 α- 酮戊二酸脫氫酶復合體的作用下生成琥珀酰輔酶 A，此過程也伴隨 NAD?被還原為 NADH；蘋果酸在蘋果酸脫氫酶的作用下氧化為草酰乙酸，同樣會產生 NADH。每個乙酰輔酶 A 經過三羧酸循環會產生 3 分子 NADH，由于 1 分子葡萄糖徹底氧化分解會產生 2 分子乙酰輔酶 A，所以共產生 6 分子 NADH。
氧化磷酸化
糖酵解和三羧酸循環產生的 NADH 會將其所攜帶的電子傳遞給線粒體內膜上的電子傳遞鏈。電子在電子傳遞鏈中的傳遞過程會驅動質子從線粒體基質泵到內膜外，形成跨線粒體內膜的質子電化學梯度。當質子通過 ATP 合酶順濃度梯度回流到線粒體基質時，ATP 合酶利用質子電化學梯度所儲存的能量將 ADP 和磷酸合成 ATP，這一過程稱為氧化磷酸化。1 分子 NADH 通過電子傳遞鏈和氧化磷酸化過程可以產生約 2.5 分子 ATP，為細胞提供大量的能量。
總之，NAD?在糖酵解、三羧酸循環等過程中接受電子和質子轉化為 NADH，NADH 又通過氧化磷酸化將電子傳遞給氧，同時驅動 ATP 的合成，從而在細胞能量代謝中起著核心作用，將營養物質中的化學能轉化為細胞可以直接利用的 ATP 形式的能量。
