การหายใจระดับเซลล์ (อังกฤษ: cellular respiration) เป็นชุดปฏิกิริยาและกระบวนการเมตาบอลิกซึ่งเกิดขึ้นในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตเพื่อเปลี่ยนแปลงพลังงานชีวเคมีจากสารอาหารเป็นอะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (ATP) และจากนั้นปล่อยผลิตภัณฑ์ของเสียออกมา ปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องในการหายใจมีปฏิกิริยาคาตาบอลิกที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยารีดอกซ์ (หมายถึง มีทั้งปฏิกิริยาออกซิเดชันและรีดักชันเกิดขึ้นพร้อมกัน) การหายใจเป็นหนึ่งในหนทางหลักที่เซลล์จะได้รับพลังงานที่มีประโยชน์เพื่อเป็นเชื้อเพลิงการเปลี่ยนแปลงของเซลล์
สารอาหารซึ่งเซลล์สัตว์และพืชมักใช้ในการหายใจ มีน้ำตาล กรดอะมิโนและกรดไขมัน ตลอดจนตัวออกซิไดซ์ทั่วไป (ตัวรับอิเล็กตรอน) ในโมเลกุลออกซิเจน (O₂) แบคทีเรียและอาร์เคียยังสามารถเป็นว่าลิโธโทรฟ (lithotroph) และสิ่งมีชีวิตเหล่านี้อาจหายใจโดยใช้โมเลกุลอนินทรีย์หลากหลายชนิดเป็นตัวให้และตัวรับอิเล็กตรอน เช่น กำมะถัน ไอออนโลหะ มีเทนและไฮโดรเจน สิ่งมีชีวิตซึ่งใช้ออกซิเจนเป็นตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายในการหายใจเรียกว่า สิ่งมีชีวิตต้องการออกซิเจน (aerobic) แต่ถ้าไม่ใช่ออกซิเจนเป็นตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้าย เรียกว่า สิ่งมีชีวิตไม่ต้องการออกซิเจน (anaerobic)^[1]
พลังงานซึ่งปลดปล่อยออกมาในการหายใจใช้ในการสังเคราะห์เอทีพีเพื่อเก็บพลังงานนี้ พลังงานที่เก็บในเอทีพีจากนั้นสามารถใช้เพื่อขับเคลื่อนกระบวนการซึ่งต้องอาศัยพลังงาน รวมถึงชีวสังเคราะห์ การเคลื่อนที่หรือการส่งโมเลกุลข้ามเยื่อหุ้มเซลล์

ประเภท
การหายใจระดับเซลล์มี 2 รูปแบบคือ

• การหายใจแบบใช้ออกซิเจน ใช้ออกซิเจนเป็นตัวรับอิเล็คตรอนตัวสุดท้าย พบในสิ่งมีชีวิตชั้นสูงทั่วไป
• การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน ใช้สารเคมีหรือธาตุอื่นเป็นตัวรับอิเล็คตรอนแทนออกซิเจน พบในแบคทีเรียที่เจริญในสภาวะไร้ออกซิเจน (anaerobic bacteria) การหมักแอลกอฮอล์ของยีสต์และการหมักกรดแลกติกในกล้ามเนื้อลาย

การหายใจของมนุษย์และสัตว์
ในมนุษย์และสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมจะหายใจโดยใช้ระบบทางเดินหายใจและมีกระบวนการคือนำออกซิเจนจากอากาศ เข้าสู่ร่างกายผ่านทางจมูกและปากเข้าทางหลอดลมและเข้าไปยังปอด เพื่อนำไปส่งผ่านให้แก่เม็ดเลือด เพื่อนำไปใช้ในการหายใจระดับเซลล์

การหายใจระดับเซลล์แบบใช้ออกซิเจน
การหายใจระดับเซลล์ คือการเผาผลาญน้ำตาลให้กลายเป็นพลังงาน เกิดได้ทั้งในพืชและในสัตว์โดยจะมีทั้งหมด 4 กระบวนการใหญ่ๆ คือ

1. ไกลโคไลซิส (Glycolysis)
2. กระบวนการเกิดอะซิติลโคเอ (Acetyl Co A)
3. วัฏจักรเครปส์ ( Kreb's Cycle)
4. ปฏิกิริยาออกซิเดทีฟ ฟอสโฟรีเลชั่น หรือห่วงโซ่การถ่ายเทอิเล็คตรอน (Electron transport system)

ไกลโคไลซิส (Glycolysis)
คำว่า ไกลโคไลซิส มีความหมายว่า การสลายน้ำตาลซึ่งเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นในกระบวนการนี้ กลูโคส น้ำตาลคาร์บอน6อะตอมจะถูกสลายกลายเป็นไพรูเวต(Pyruvate)ในขั้นตอนต่างๆและจะได้พลังงานทั้งในรูปATPและNADH กระบวนการนี้เกิดขึ้นกับเซลล์ของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด โดยเกิดขึ้นในส่วนของไซโตซอล(Cytosol)เป็นปฏิกิริยาที่สามรถเกิดได้โดยไม่จำเป็นต้องใช้ออกซิเจน ช่วงหลักๆของไกลโคไลซิสจะมีอยู่สองช่วงคือ "ช่วงจ่ายพลังงาน" และ "ช่วงที่ได้รับพลังงานคืน" โดยขั้นตอนทั้งหมดสามารถสรุปได้ดังสมการนี้:

Glucose + 2 NAD+ + 2 Pi + 2 ADP → 2 pyruvate + 2 NADH + 2 ATP + 2 H+ + 2 H2O