El resto acetilo es oxidado en las células hasta CO2 y H2O a través de este ciclo, que se cumple íntegramente dentro de las mitocondrias, el cual comprende una serie de reacciones en las cuales se produce oxidación total de restos acetato procedentes de distintos orígenes (glúcidos, lípidos, aminoácidos). El acetil COA actúa como alimentador del ciclo e inicia las reacciones combinándose con oxaloacetato. Al final se regenera oxaloacetato, compuesto que funciona catalíticamente en la oxidación del resto acetilo a dos moléculas de CO2 (producto del ciclo).

Conjunto de reacciones:
•Reacción 1: Formación de ácido cítrico: la condensación del resto de dos carbonos de acetil COA con oxaloacetato, da citrato (forma iónica del ácido cítrico), compuesto de seis carbonos y tres grupos carboxílicos. Esta reacción es catalizada por una enzima condensante, la citrato sintasa. El estado activado del resto acetilo permite la formación de una unión carbono-carbono entre el metilo del acetato y el carbonilo del oxaloacetato. 
Por la hidrolisis exergónica del enlace tioester de acetil COA, la reacción esta desplazada hacia la formación de citrato. La citrato sintasa es regulatoria inhibida por ATP.

•Reacción 2: Formación de isocitrato: por un proceso de isomerización, el citrato se convierte en isocitrato en dos pasos. Primero se deshidrata a cisaconitato, luego recupera agua y forma isocitrato. Ambas etapas son catalizadas por la misma enzima, la aconitasa.

•Reacción 3: Oxidación de isocitrato: el isocitrato experimenta una deshidrogenizacion para convertirse en oxalosuccinato. Cataliza esta reacción la enzima isocitrato deshidrogenasa, oxidorretuctasa que utiliza NAD como coenzima. Es una enzima alosterica; su afinidad por el sustrato es aumentada por ADP, mientras ATP y NADH tienen efecto inhibitorio. Se considera a esta etapa como el principal sitio de regulación de funcionamiento del ciclo.

•Reacción 4: Descarboxilación de oxalosuccinato: la misma enzima responsable de la reacción 3, cataliza la carboxilación de oxalosuccinato para dar alfa-cetoglutarato. En esta etapa se libera la primera molécula de CO2 y se origina un intermediario dicarboxilico de cinco carbonos.

•Reacción 5: Descarboxilación oxidativa de alfa-cetoglutarato: el proceso es catalizado por un sistema multienzimatico llamado complejo alfa-cetoglutarato deshidrogenasa, formado por tres enzimas que requieren las coenzimas pirofosfato de tiamina, ácido lipoico, coenzima A, FAD y NAD. Los productos de la reacción son CO2, NADH, H+ y succinil-SCOA. Este último es un resto dicarboxilico de cuatro carbonos unido a coenzima A por enlace tioester de alta energía. La reacción es fuertemente exergónica y prácticamente irreversible.

•Reacción 6: Formación de succinato: la succinil-coenzima A es convertida en succinato y COA libres por acción de la enzima succinato tioquinasa. Esta reacción requiere guanosina difosfato (GDP) y fosfato inorgánico. La energía contenida en la unión tioester es utilizada para transferir fosfato a GDP y obtener guanosina trifosfato (GTP). Es esta la única etapa del ciclo en la cual se genera una unión fosfato de alta energía a nivel de sustrato. A partir de GTP se puede formar ATP, en reacción catalizada por la enzima nucleosido difosfato quinasa.

•Reacción 7: Deshidrogenación de succinato: el succinato es oxidado a fumarato por acción de la enzima succinato deshidrogenasa (unida a la membrana interna de la mitocondria), flavoproteina con FAD como aceptor dehidrógenos. La enzima tiene gran especificidad, produce solo el isómero trans (fumarato). No se forma maleato, de configuración cis.

•Reacción 8: Hidratación de fumarato: por adición de agua, el fumarato se convierte en malato. La reacción es catalizada por una hidratasa llamada fumarasa.

•Reacción 9: Oxidación de malato: el malato pierde dos hidrógenos y se transforma en oxaloacetato. Cataliza la reacción la enzima malato deshidrogenasa, dependiente de NAD. Esta reacción es endergonica. 
El ciclo se cierra con la formación de oxaloacetato, compuesto final e inicial de la serie de reacciones. Durante una vuelta completa se liberan dos moléculas de CO2 y ocho atamos de hidrogeno. Tres pares de esos hidrógenos son cedidos a NAD y el par restante a FAD. En la cadena respiratoria esos cuatro partes de hidrógenos formaran, uniéndose al oxígeno, cuatro moléculas de agua.