来自丙酮酸的乙酰辅酶A的乙酰基团进行氧化脱羧的一个环式反应序列。亦称柠檬酸环或凯氏环。在三羧酸循环中，乙酰基团通过脱羧作用产生二氧化碳；通过脱氢作用将氧化态二磷酸吡啶核苷酸（NAD）和氧化态黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）分别还原态二磷酸吡啶核苷酸（NADH）和还原态黄素腺嘌呤二核苷酸（FADH）。释出的能量，除经底物水平磷酸化作用形成1分子鸟苷三磷酸（GTP）外，其余均贮存在NADH和FADH中。NADH和FADH通过呼吸电子链形成腺苷三磷酸（ATP），并最终与氧生成水。

三羧酸循环的化学历程如图所示。反应1是丙酮酸在丙酮酸脱氢酶催化下脱羧脱氢转化为乙酰辅酶A（乙酰-COA）。该酶是一个多酶体系，包括三种酶和五种辅酶，三种酶是丙酮酸脱羧酶、双氢硫辛酸乙酰基转移酶和双氢硫辛酸脱氢酶。五种辅酶是焦磷酸硫胺素（TPP）、辅酶A（CoA-SH）、NAD、FAD和硫辛酸。反应2是乙酰-CoA在柠檬酸合成酶催化下与草酰乙酸缩合成柠檬酸。反应3是由乌头酸酶催化柠檬酸经顺乌头酸转化为异柠檬酸。反应4是异柠檬酸由异柠檬酸脱氢酶催化形成α-酮戊二酸。反应5是α-酮戊二酸经α-酮戊二酸脱氢酶催化形成琥珀酰辅酶A。α-酮戊二酸脱氢酶也是一个多酶系统并需要上述五种辅酶。反应4和5是两个脱羧反应，至此丙酮酸的3个碳已都转变为CO₂。反应6是琥珀酰辅酶A经琥珀酸硫激酶催化产生琥珀酸，同时形成1分子GTP。反应7是琥珀酸在琥珀酸脱氢酶催化下脱氢形成延胡索酸。反应8是延胡索酸经延胡索酸酶催化形成苹果酸。反应9是苹果酸经苹果酸脱氢酶催化脱氢形成草酰乙酸。总结三羧酸循环，每1分子丙酮酸先脱去一对氢原子放出1分子CO₂，转变成1分子乙酰-CoA，然后乙酰-CoA进入三羧酸循环放出2分子CO₂。三羧酸循环中脱氢产生4对氢原子，三对被用于还原NAD形成NADH，另一对被用于还原FAD形成FADH。总反应为

2丙酮酸+8NAD⁺+2FAD+2GDP^2-+2H₂PO^-₄+4H₂O→6CO₂+2GTP^3-+8NADH+8H⁺+2FADH₂

柠檬酸循环

ADP/ATP比和NAD/NADH比对三羧酸循环有调节作用。调节是通过对脱氢酶系统特别是对异柠檬酸脱氢酶的影响来实现的。这种酶被ADP激活，被ATP和NADH抑制。三羧酸循环的其它调节部位是乙酰-CoA、草酰乙酸和柠檬酸的合成、草酰乙酸是使乙酰进入三羧酸循环氧化的中间代谢物，它还抑制琥珀酸脱氢酶和苹果酸脱氢酶的活性。三羧酸循环虽不需氧的直接参与，但还被供氧情况所调节，因它须在呼吸电子链的配合下才能正常运转。在无氧情况下，三羧酸循环因NADH+H⁺和FADH₂的积累而停止。

可从能量转换和物质代谢两方面来考虑。从能量转换看，己糖酵解生成的丙酮酸，如进行乙醇发酵或乳酸发酵，则1分子己糖只产生2分子ATP，即2个高能磷酸键；如进入三羧酸循环继续氧化，则1分子己糖可产生38分子ATP。在三羧酸循环中，通过底物水平磷酸化作用能直接形成GTP，GTP在能量上与ATP相当，即GTP+ADP⇌ATP+GDP，其平衡常数为1.0。脱氢反应形成的NADH+H⁺和FADH₂，在呼吸电子链中通过氧化磷酸化作用产生ATP。1分子NADH+H⁺产生3分子ATP；1分子FADH₂产生2分子ATP。所以1分子丙酮酸通过三羧循环和呼吸电子链彻底氧化，可产生15分子ATP。需氧生物进行生命活动所需的能量，主要依靠三羧酸循环供应，这就是三羧酸循环普遍存在于所有需氧生物体的原因。从物质代谢看，三羧酸循环不是简单的分解代谢，而是将合成代谢和分解代谢二者的功能组合起来的一种无定向代谢途径。三羧酸循环与许多重要的代谢循环相连系。许多重要的生物物质是从三羧酸循环的中间产物衍生的，例如三羧酸循环中产生的酮酸是合成氨基酸的重要原料，特别是天冬氨酸。谷氨酸和从它们衍生的其它氨基酸。琥珀酰铺酶A是合成卟啉的前体，叶绿素、血红素和维生素B₁₂都是卟啉化合物。乙酰辅酶A是合成脂肪酸、萜类和留甾类的前体。三羧酸循环通过草酰乙酸转变为磷酸烯醇丙酮酸，又可重新合成糖类。