Los organismos adquieren energía por dos métodos generales: por luz o por oxidación química. Los organismos productivos, llamados autótrofos, convierten la luz o las sustancias químicas en compuestos orgánicos ricos en energía, empezando por el dióxido de carbono (CO2), pobre en energía. Estos autótrofos proporcionan energía a los demás organismos, los heterótrofos. Los heterótrofos son organismos que adquieren su energía mediante la descomposición controlada de moléculas orgánicas preexistentes o alimentos. Los seres humanos, como la mayoría de los demás animales, hongos, protistas y bacterias, son heterótrofos.

Los organismos autótrofos suelen ser productores primarios en sus ecosistemas. Adquieren su energía libre útil a partir de fuentes distintas del alimento: ya sea de la energía de la luz solar (fotoautótrofos) o de reacciones químicas oxidativas (quimioautótrofos). Este último modo de metabolismo se refiere a las formas de vida que utilizan materiales inorgánicos (amoníaco, metano o sulfuro de hidrógeno) combinados con oxígeno para generar su energía. Sólo algunas bacterias son capaces de obtener energía «quemando» sustancias químicas inorgánicas.

Las plantas verdes son típicas fotoautótrofas. Las plantas absorben la luz solar para generar ATP y disociar el agua en oxígeno e hidrógeno. La descomposición de la molécula de agua, H2O, en hidrógeno y oxígeno requiere mucha energía. El hidrógeno del agua se combina entonces en las «reacciones oscuras» con el dióxido de carbono, CO2. El resultado es la producción de moléculas orgánicas ricas en energía como los azúcares, los aminoácidos y los nucleótidos. El oxígeno se convierte en el gas O2, que se libera como residuo en la atmósfera. Los animales, que son estrictamente heterótrofos, no pueden vivir con dióxido de carbono, luz solar y agua con algunas sales como las plantas. Deben respirar el oxígeno atmosférico. Los animales combinan químicamente el oxígeno con los átomos de hidrógeno que extraen de sus alimentos, es decir, de materiales orgánicos como el azúcar, las proteínas y los aminoácidos. Los animales liberan agua como producto de desecho de la respiración del oxígeno. Los animales, como todos los heterótrofos, utilizan materiales orgánicos como única fuente de carbono. Esta conversión del carbono proporciona un ejemplo de un aspecto de un ciclo ecológico en el que un elemento necesario fluye a través de diferentes tipos de organismos a medida que cambia su estado de oxidación de CO2 a (CH2O)n y de nuevo a CO2.

Los ciclos metabólicos en general -la extracción por parte de los organismos de energía útil y moléculas alimenticias a partir de la materia prima del medio ambiente- pueden describirse en términos de reacciones de oxidación-reducción. En el caso de la respiración con oxígeno, las moléculas de oxígeno del aire aceptan electrones en última instancia de la glucosa o los aminoácidos. El oxígeno, que tiene una gran afinidad por los electrones, se denomina aceptor de electrones, mientras que la glucosa, u otras moléculas de azúcar u orgánicas, es un donante de electrones. La respiración animal es el prototipo de las reacciones de oxidación-reducción, pero ciertamente no todas las reacciones de oxidación-reducción (o «reacciones redox», como suelen llamarse) implican al oxígeno. Muchos otros compuestos inorgánicos son respirados, o «respirados», a nivel celular. Los aceptores biológicos de electrones, además del oxígeno, son el nitrato, el nitrito, el sulfato, el carbonato, el azufre elemental y el metanol. Los donantes de electrones biológicos (distintos del azúcar y los aminoácidos) incluyen el hidrógeno, los compuestos de nitrógeno (como el amoníaco, el nitrito), el sulfuro y el metano. Para que los quimioautótrofos y los heterótrofos dispongan de transformaciones de aceptor-donante durante periodos de tiempo sostenidos, se requieren ciclos ecológicos. Durante periodos de tiempo geológicamente cortos, los organismos pueden vivir de un suministro finito de material; sin embargo, para la continuidad de la vida a largo plazo, debe prevalecer un ciclo dinámico de la materia en el que participen tipos complementarios de organismos. Si existe vida en otros planetas, los elementos necesarios y el agua líquida deben circular. La búsqueda de tales transformaciones constituye un método para detectar la vida extraterrestre.

Además de energía, todas las formas de vida requieren fuentes de carbono. Los organismos autótrofos (bacterias quimiosintéticas y fotosintéticas, algas y plantas) obtienen este elemento esencial del dióxido de carbono. Los heterótrofos utilizan compuestos orgánicos preformados como fuente de carbono. Entre los autótrofos hay muchos tipos de células que no dependen de la luz para generar ATP; las que lo hacen sin luz son las bacterias quimioautótrofas, entre las que se encuentran las metanógenas, las oxidantes de amoníaco, las oxidantes de sulfuro, las oxidantes de hidrógeno y algunas otras oscuras. De hecho, al menos cinco vías metabólicas totalmente diferentes entre sí han evolucionado para utilizar el gas carbónico. Una de ellas es la vía oxigénica descrita anteriormente, que utilizan las plantas, las algas y las cianobacterias: las reacciones oscuras de Calvin-Benson. Otras vías más oscuras son la del fosfoenolpiruvato (PEP), la del succinato y la del metanógeno. Todas ellas tienen que aportar dióxido de carbono, pobre en energía, al metabolismo de compuestos de carbono e hidrógeno, rico en energía, de los organismos. Toda la vida en la Tierra depende de estas reacciones autótrofas que comienzan con dióxido de carbono o su equivalente. Los equivalentes como fuentes de carbono en el metabolismo autótrofo incluyen el ion carbonato, el ion bicarbonato y el monóxido de carbono. Como es habitual, con respecto a la variación metabólica y el virtuosismo, el repertorio bacteriano es enormemente más diverso que el de los eucariotas, es decir, las plantas, los animales y otros organismos compuestos por células con núcleo. En general, los organismos con núcleo, los eucariotas, son o bien fotolitoautótrofos (es decir, algas y plantas) que obtienen la energía de la luz o de los minerales, o bien quimioorganoheterótrofos (animales, hongos y la mayoría de los protistas) que obtienen la energía y el carbono de compuestos orgánicos preformados (alimentos).