三羧酸循环（TCA）是一种酶促反应循环系统，用于将乙酰CoA中的乙酰基氧化成CO2。循环始于乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸。柠檬酸合成酶催化的反应是关键步骤，此酶需要草酰乙酸的供应以维持循环的顺利进行。
柠檬酸合酶首先使乙酰CoA的甲基上失去一个H+，生成的碳阴离子对草酰乙酸的羰基碳进行亲核攻击，生成柠檬酰CoA中间体，然后高能硫酯键水解放出游离的柠檬酸，使反应不可逆地向右进行。此反应由柠檬酸合成酶催化，是很强的放能反应。
柠檬酸合酶是一个变构酶，ATP、α-酮戊二酸、NADH能变构抑制其活性，长链脂酰CoA也可抑制其活性，AMP可对抗ATP的抑制而起激活作用。
异柠檬酸转变为异柠檬酸时，由顺乌头酸酶催化，为一可逆反应。异柠檬酸的仲醇氧化成羰基，生成草酰琥珀酸的中间产物，后者在同一酶表面，快速脱羧生成α-酮戊二酸、NADH和CO2，此反应为β-氧化脱羧，此酶需要Mg2+作为激活剂。
α-酮戊二酸脱氢酶系催化α-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA、NADH·H+和CO2，反应过程完全类似于丙酮酸脱氢酶系催化的氧化脱羧，属于α-氧化脱羧，氧化产生的能量中一部分储存于琥珀酰CoA的高能硫酯键中。
琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化成为延胡索酸，此酶结合在线粒体内膜上，而其他三羧酸循环的酶则都是存在线粒体基质中的。丙二酸是琥珀酸的类似物，是琥珀酸脱氢酶强有力的竞争性抑制物。
延胡索酸酶仅对延胡索酸的反式双键起作用，而对顺丁烯二酸则无催化作用，因而是高度立体特异性的。
在苹果酸脱氢酶作用下，苹果酸仲醇基脱氢氧化成羰基，生成草酰乙酸，NAD+是脱氢酶的辅酶，接受氢成为NADH·H+。
三羧酸循环总结：乙酰CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi—→2CO2+3NADH+FADH2+GTP+2H++CoA-SH。
CO2的生成，循环中有两次脱羧基反应，两次都同时有脱氢作用，但作用的机理不同。三羧酸循环的四次脱氢，其中三对氢原子以NAD+为受氢体，一对以FAD为受氢体，分别还原生成NADH+H+和FADH2。它们又经线粒体内递氢体系传递，最终与氧结合生成水，在此过程中释放的能量使ADP和Pi结合生成ATP。
乙酰CoA中乙酰基的碳原子，乙酰CoA进入循环，与四碳受体分子草酰乙酸缩合，生成六碳的柠檬酸，在三羧酸循环中有二次脱羧生成2分子CO2，与进入循环的二碳乙酰基的碳原子数相等，但是，以CO2方式失去的碳并非来自乙酰基的两个碳原子，而是来自草酰乙酸。
三羧酸循环的中间产物，从理论上讲，可以循环不消耗，但是由于循环中的某些组成成分还可参与合成其他物质，而其他物质也可不断通过多种途径而生成中间产物，所以说三羧酸循环组成成分处于不断更新之中。
