ATP synthase là một protein bao gồm nhiều tiểu đơn vị với tổng khối lượng hơn 50 vạn dalton.[1] Cấu trúc hiện nay của ATP synthase được nhận biết bằng phương pháp soi kính hiển vi điện tử dưới nhiệt độ cực thấp. Trong ti thể, ATP synthase bao gồm 2 phần chủ yếu được đặt tên là F1 và FO.

• Phần FO của enzyme nằm trong màng ti thể, gồm ba loại protein mang tên a, b, c. Ở vi khuẩn và ti thể của nấm men, kết cấu thường thấy của FO là a1b2c10, tuy nhiên ở ti thể của động vật có đến 12 tiểu đơn vị c còn ở lục lạp có 14. Trong tất cả các trường hợp, tiểu đơn vị c sắp xếp thành một vòng tròn trên mặt phẳng màng sinh chất. Tiểu đơn vị a và b gắn kết chặt chẽ với nhau nhưng không liên kết với vòng c.[2]
• Phần F1 của enzyme giống như một quả đấm thòi ra ngoài màng, nằm ở trong phần chất nền của ti thể. Đây là một phức hợp tan trong nước, bao gồm 5 polypeptide có kết cấu là α3β3γδε. Phần dưới của tiểu đơn vị γ là một cấu trúc dạng cuộn nằm gọn vào giữa vòng c của FO và bắt dính vào đấy. Tiểu đơn vị ε gắn chặt với γ và cũng gắn chặt với một số tiểu đơn vị c nói trên. Tiểu đơn vị α và β nằm xen kẽ với nhau theo một vòng tròn để hình thành một thể đối xứng sáu bên. Tiểu đơn vị δ hình thành một liên kết bền vững tới một tiểu đơn vị α và một tiểu đơn vị β kế bên; đồng thời cũng liên kết với tiểu đơn vị b của FO. Vì vậy các tiểu đơn vị a, b của FO cùng với các tiểu đơn vị δ, α3, β3 hình thành một cấu trúc chặt chẽ neo vào màng sinh chất. Tiểu đơn vị b hình que hình thành một cấu trúc tĩnh (xtato) ngăn không cho α3, β3 di chuyển trong khi tựa vào tiểu đơn vị γ.[2]

Phần F1 có kích thước lớn và có thể được nhìn thấy qua kính hiển vị điện tử bằng phép nhuộm âm tính.[3] Chúng là những cấu trúc có đường kính 9 nm nằm rải rác trên bề mặt ti thể. Ban đầu chúng được gọi là các cấu trúc sơ cấp và được cho rằng có chức năng bao hàm toàn bộ bộ máy hô hấp trong ti thể. Tuy nhiên sau nhiều thí nghiệm, Ephraim Racker và các đồng sự (những người đâu tiên phân lập được F1 năm 1961) đã cho thấy F1 có liên quan tới hoạt tính của ATPase trong các ti thể đơn lẻ và với hoạt tính của ATPase trong các cấu trúc cấp độ dưới ti thể tạo ra bằng cách cho ti thể tiếp xúc với sóng siêu âm. Cụ thể hơn, khi F1 bị tách khỏi màng ti thể thì chúng mất khả năng tổng hợp ATP mà chỉ còn khả năng thủy phân ATP (vì vậy chúng được gọi tên là ATPase), chỉ khi ráp chúng lại với FO thì khả năng sinh tổng hợp ATP mới được khôi phục.[4]

Hoạt tính của ATPase còn có liên quan mật thiết hơn tới sự tổng hợp ATP bởi một chuỗi các thí nghiệm trên nhiều phòng thí nghiệm khác nhau.