ATP合成酶是一類線粒體與葉綠體中的合成酶，它廣泛存在于線粒體、葉綠體、原核藻、異養菌和光合細菌中，是生物體能量代謝的關鍵酶。
ATP合成酶可以在跨膜質子動力勢的推動下，利用ADP和Pi催化合成生物體的能量“通貨”——ATP。一般來說，機體所需的大多數ATP都是由ATP合酶產生的。據估計，人體每天進行正常活動所需的ATP量約等于他的體重，如體重70千克的成年人，每天合成的用于機體正常生命活動的ATP量約為70kg。而如此巨量的ATP正是由人體無數的ATP合酶合成的。
同時，ATP合成酶也可以催化逆反應，即ATP的水解。因此，從某種意義上來說，ATP合成酶也是一類ATP酶。