В начале исследования этого механизма выдвигаемые гипотезы формировались в две группы: химическую и конформационную.
Сторонники химической гипотезы, к которым относилось подавляющее число исследователей, отталкивались от прецедента субстратного фосфорилирования, которое реализуется на предварительных стадиях гликолиза.Это обычная ферментативная реакция между водорастворимыми субстратами.
Конформационная гипотезаопиралась на представление о том, что процесс окисления НАДН может привести к формированию локальных напряжений внутренней мембраны митохондрий, запасающих часть энергии, выделяемой в процессе окисления. Затем, возвращаясь к исходному состоянию, мембрана подобно расправляющейся пружине может передать свободную энергию участникам реакции фосфорилирования. Такие изменения структуры митохондриальной мембраны могли бы быть опосредованы, например, каким-либо мембранно-связанным белком.
Затем появилась альтернативная гипотеза, получившая название хемиосмотической. В 1961 году английский биохимик П. Митчел высказал предположение, что для сопряжения окисления НАДН2 с синтезом АТФ из АДФ и Ф необходима целостность внутренней мембраны митохондрий, т. е. она должна чётко отделять внутреннее пространство митохондрии («матрикс») от цитоплазмы клетки. Это была качественно новая идея. То, что многие ферменты в клетке нормально функционируют только в тесном контакте с мембраной или даже встроены внутрь мембраны, было известно, но топология мембранной системы никогда не считалась важной для протекания биохимических реакций.