Sự tiến hóa của ATP synthase được cho là một ví dụ của tiến hóa khảm (mosaic evolution), trong đó hai tiểu đơn vị với chức năng riêng biệt đã gắn kết với nhau và có thêm chức năng hoàn toàn mới.[17][18] Việc gắn kết này hẳn đã xảy ra trong giai đoạn rất sớm của quá trình tiến hóa của các cơ thể sống, bằng chứng là cấu trúc và hoạt động của ATP synthase được bảo tồn trong tất cả các sinh giới.[1][17] Enzyme F-ATP synthase có nhiều sự tương đồng về mặt cấu trúc lẫn chức năng với V-ATPase.[19] Tuy nhiên trong khi F-ATP synthase tổng hợp ATP bằng cách dùng nguồn năng lượng của sự chênh lệch thế proton, V-ATPase thực thi vai trò kiến tạo nên một thế proton bằng cách thủy phân ATP, khiến môi trường có độ PH bằng 1.

Phần F1 của ATP synthase cũng có nhiều nét tương đồng với cấu trúc của enzym lục hợp phân tử hêlicaza; còn phần FO có những nét tương đồng với phức hợp "động cơ" quay tiên mao được cung cấp năng lượng bởi dòng proton H+.[19] Thể lục hợp phân tử α3β3 của F1 và thể lục hợp phân tử hêlicaza ADN cùng có cấu trúc vòng như chiếc nhẫn tí hon với một lỗ trống ở trung tâm. Hêlicaza ADN sử dụng hình dạng xoắn ốc của ADN để giúp nó chuyển động dọc theo phân tử này và phát hiện ra những chỗ xoắn, còn α3β3 sử dụng sự thay đổi cấu hình do chuyển động xoay tròn của tiểu đơn vị γ tạo phản ứng được xúc tác bởi enzyme.[20]

Phần môto H+ của FO cho thấy sự tương đồng to lớn về chức năng với người đồng sự ở tiên mao.[19] Cả hai đều bao hàm một vòng ghép bởi các protein có hinh dạng xoắn alpha, chuyên động xoay tròn so với các protein đứng yên xung quan nó với năng lượng lấy từ thế điện hóa proton. Tuy nhiên đây chỉ là một mối liên hệ mỏng manh giữa hai cấu trúc vì bản thân môto của tiên mao có cấu trúc phức tạp hơn rất nhiều, vòng xoay của tiên mao cũng lớn hơn rất nhiều, bao hàm đến 30 proteinm so với 10, 11, hay 14 của FO.

Thuyết tiến hóa khảm bề nguồn gốc của ATP synthase cho rằng hai tiểu đơn vị với chức năng khác nhau, một hêlicaza ADN với hoạt tính của ATPase và một môto H+ đã gắn kết với nhau và sự quay của môto đã phát động hoạt tính ATPase của hêlicaza theo chiều ngược lại.[17][20] Cấu trúc này càng về sau càng hoàn thiện và cuối cùng trở thành enzyme ATP synthase ngày nay. Một giả thuyết khác cho rằng hêlicaza ADN/phức hợp mô to H+ cũng có thể chức năng bơm proton H+, hoạt tính ATPase của hêlicaza đã thúc đẩy hoạt động của động cơ H+ theo chiều ngược lại.[17] Về sau chúng tiến hóa để thực thi hoạt động theo chiều ngược lại là sinh tổng hợp ATP, trở thành ATP synthase.[18]