Phân tử ATP gồm adenosine - tạo ra từ một vòng adenine và một đường ribose - và ba nhóm phosphate (nên gọi là triphosphate). Các nhóm phosphat, bắt đầu từ nhóm gần nhất với nhóm ribose, được gọi lần lượt là alpha (α), beta (β), và gamma (γ) phosphat. ATP tan tốt trong nước và khá ổn định trong dung dịch có độ pH từ 6.8 đến 7.4, nhưng nhanh chóng bị thủy phân ở pH quá cao hoặc quá thấp. Do đó, ATP được dự trữ tốt nhất dưới dạng muối khan.Phân tử ATP không ổn định trong nước không đệm và bị thủy phân thành ADP và phosphate. Lý do là liên kết giữa các phần tử phosphate còn lại trong ATP yếu hơn liên kết hydro giữa ADP và nước. Vì vậy, nếu ATP và ADP ở trong cân bằng hóa học trong nước, gần như toàn bộ ATP sẽ dần chuyển thành ADP. Một hệ thống hóa học ở xa khỏi cân bằng có chứa năng lượng tự do Gibbs, và có khả năng sinh công. Tế bào sống giữ tỉ lệ ATP trên ADP ở mức 1010 lần mức cân bằng, với nồng độ ATP cao gấp một nghìn lần nồng độ ADP. Ở mức xa cân bằng như trên, khi bị thủy phân ATP giải phóng một lượng lớn năng lượng.ATP thường được gọi là "phân tử năng lượng cao". Tuy nhiên, cách gọi này dễ đánh lạc hướng. Như tất cả phản ứng hóa học đã đạt đến cân bằng, một hỗn hợp ATP và ADP đã đạt đến cân bằng ổn định trong nước sẽ không dẫn đến thêm thủy phân tịnh của ATP. Nói chính xác hơn, ATP và nước giống như một hỗn hợp các chất phản ứng như xăng và chất oxi-hóa: cả hai phải có mặt mới có thế giải phóng năng lượng.