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关于质子梯度驱动ATP合成的机制，米切尔本人并未做出合理的解释。随着人们对线粒体结构和功能深入研究，1961年首次从线粒体中分离出一种能合成ATP的酶复合物并命名为ATP合酶。1973年，英国科学家约翰·沃克（John E. Walker）利用X射线晶体技术，对ATP合酶的部分结构进行了详细解析，为理解ATP合酶的结构及催化机制提供了重要线索。 现已清楚，ATP合酶由F₁和F₀两个主要部分组成，故亦称F₁F₀-ATP合酶，位于线粒体内膜，负责利用跨膜质子梯度的能量来合成ATP，是细胞能量代谢的核心分子。 
F₁部分位于线粒体基质，是一个水溶性复合体。由α、β、γ、δ、ε5种不同的亚基组成，其中，α和β亚基各含有3个拷贝，形成一个六聚体（α₃β₃），γ、δ和ε亚基各1个。F₁部分是ATP合成的催化部位，负责催化ADP和无机磷酸Pi合成ATP。 F₀部分嵌入在线粒体内膜中，是一个膜结合复合体。由a、b、c3种不同的亚基组成，其中，c亚基形成一个环状结构，通常含有多个拷贝（哺乳动物中通常有10-14个c亚基）。F₀部分是一个质子通道，负责将质子从膜间隙泵回基质。 结合约翰·沃克的结构研究和自身的发现，1979年，美国科学家博耶Paul D. Boyer提出“旋转催化机制”来解释F₁F₀-ATP合酶如何利用跨膜质子梯度的能量合成ATP。他将ATP合酶比作一个可以旋转的微型分子马达，他发现ATP合酶的F1部分由多个亚基组成，其中β亚基的是真正的催化位点。在ATP形成过程中这些催化位点会经历三种不同的构象状态：松弛态L（Loose）、 紧密态T（Tight）及开放态O（Open）。其中松弛状态下ADP与Pi进行结合，紧密状态时压缩合成产物ATP，开放状态下完成产物ATP的释放。 
β亚基的三种构象变化是由于γ亚基的旋转导致的，当质子流从膜间隙通过F₀时，巨大的能量驱动c亚基环旋转，进而带动γ亚基转动，最终诱导β亚基构象变化，将ATP合成并释放。 与化学渗透学说一样，旋转催化机制也一度被认为是异想天开，然而其逐渐得到了多方面的实验证据支持，包括X射线晶体研究、荧光技术等。尤其是1994年，约翰·沃克再一次通过高分辨率的晶体结构解析，进一步确立了ATP合酶的结构，为旋转催化机制提供了直接的结构证据。
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