生物體有氧氧化的主要代謝途徑，是維持生命活動的最基本供能體系。是糖有氧氧化必經之路，也是脂肪和氨基酸的主要代謝途徑。大多數需氧生物（包括哺乳動物）體內的營養物質糖、脂肪、蛋白質，經過初步降解生成葡萄糖、脂肪酸、甘油及氨基酸，它們再進一步裂解成共同的中間產物二碳化合物，其活性形式為乙醯輔酶A(乙醯CoA)。此二碳化合物最後經過一系列酶促反應的迴圈機構被徹底氧化成CO2和水，並放出大量可可供利用的能量(ATP)（圖1）。這一循環式的催化機構中含有幾種三羧酸（檸檬酸、順烏頭酸及異檸檬酸），故稱三羧酸循環，或稱檸檬酸循環。因此循環系在1937年由H.A.克雷佈斯首先闡明，故也稱為克雷佈斯循環。
三羧酸循環不僅是生物體產生 CO2和能量的主要機構，也是為許多物質的生物合成提供原料和互相代謝轉變的連絡機構。
化學途徑 三羧酸循環共經8步反應（圖2）。
①活化的二碳物質（乙酰 CoA）在檸檬酸合成酶的催化下，先“借用”一分子四碳物質（草酰乙酸）縮合成六碳物質檸檬酸。②檸檬酸再依次酶促轉變成“順烏頭酸及異檸檬酸”。③六碳的異檸檬酸經異檸檬酸脫氫酶的催化脫氫、脫 CO2成五碳的α－酮戊二酸。④α－酮戊二酸經脫氫、脫CO2成四碳的琥珀酰CoA。⑤琥珀酰CoA脫CoA生成琥珀酸，其能量為GTP所保留。⑥琥珀酸脫氫成延胡索酸。⑦延胡索酸加水成蘋果酸。⑧蘋果酸脫氫又回復成草酰乙酸。總的經一次循環，代謝消耗掉一分子二碳物質（乙酰基），生成2分子CO2和H2O，脫掉4對氫原子。循環開始時“借用”的一分子草酰乙酸，在循環終瞭時仍再生復原，又可與第二個分子乙酰基縮合，以進入第二次循環。周而復始的循環、消耗代謝掉的隻是乙酰基。因此三羧酸循環是最終氧化分解二碳物質（乙酰基）的酶促化學機構。
能量生成 三羧酸循環中有四步脫氫反應，脫下的氫經呼吸鏈傳遞與O2結合成水，在此過程中生成的能量可被氧化磷酸化保留在ATP中。每克分子乙酰CoA經三羧酸循環和氧化磷酸化可生成12克分子ATP。1克分子葡萄糖在有氧氧化情況下，可生成2克分子乙酰CoA，徹底氧化成CO2和H2O，共可釋出總能量686千卡，保留生成38克分子ATP；其中由三羧酸循環生成24克分子ATP。而在無氧情況下，1克分子葡萄糖經無氧酵解生成乳酸，釋出的總能量僅57千卡，保留為ATP者僅2克分子，僅為有氧氧化過程產生能量的十餘分之一。殺鼠藥氟代乙酸中毒致死的原因，就是氟代乙酸能與乙酰CoA競爭，它容易與草酰乙酸相結合，生成氟代檸檬酸，導致三羧酸循環的中斷。肝昏迷的成因之一是體內堆積的過多的氨與三羧酸循環中的α－酮二酸結合以生成谷氨酰胺。α－酮戊二酸大量消耗、導致三羧酸循環的運轉受礙，腦的能量供應匱乏，而致昏迷。
特點 三羧酸循環的特點可歸納為以下幾點。
①在生理情況下，三羧酸循環中的酶促反應有三步（圖2中的①、③、④）基本上不可逆，因而整個循環通常按單向進行。
②在組織內，三羧酸循環中各種成分的含量均極微(＜1μmol/克新鮮組織)，因此它是一個催化性的機構，原則上不會因循環而消亡。但若因種種原因循環中的某些成員轉變成其他物質而被消耗時，就必須不斷補充。如丙酮酸可分別經丙酮酸羧化酶及蘋果酸酶以生成草酰乙酸及蘋果酸，後二者均為三羧酸循環中的成員。
③三羧酸循環中的酶均位於線粒體中，與呼吸鏈及氧化磷酸化的酶體系緊密偶聯，這保證瞭線粒體供能系統的穩定性及高效性。三羧酸循環即在線粒體內進行。
④三羧酸循環中的酶促反應受到多種因素的調節，以保證其適應於生理狀態的需要。例如當組織中ADP/ATP、NAD+(氧化型輔酶Ⅰ)/NADH(還原型輔酶Ⅰ)或COASH／琥珀酰CoA的比值增高，表明組織中能量趨於匱乏狀態。上述物質比例的增高可通過變構效應促進循環中某些酶的活性。反之，它們的比值降低，則反映瞭組織中能量的富裕，可通過變構效應抑制循環中某些酶的活性，使循環的反應減緩。
⑤以放射性核素14C-乙酰基作示蹤實驗證明，在每次循環中，參入檸檬酸分子中的乙酰基的14C，實際上並沒有被脫落成14CO2，而是構成瞭循環中最後形成的草酰乙酸的部分分子骨架。至於出現在脫落下來的二分子CO2中的C，實系來源於原來草酰乙酸部分中的2個C。換言之，當乙酰基與草酰乙酸縮合後，系從草酰乙酸部分脫去2個C。但從C原子的凈數量考慮，相當於乙酰基上2個C原子被脫落成CO2。
生理意義 可概括為五點。
①通過三羧酸循環生成的CO2，是哺乳動物呼出CO2的主要來源。
②通過三羧酸循環脫下的大量氫，可經呼吸鏈的傳遞及氧化磷酸化以生成大量可供生物體利用的能量，故維持三羧酸循環的正常運轉是需氧生物生命攸關的重要生物化學過程。
③凡是能轉變成三羧酸循環中任一成員的代謝物，均可被徹底氧化成CO2及H2O。如天門冬氨酸及谷氨酸脫去氨後，分別生成草酰乙酸及α-酮戊二酸而進入三羧酸循環。因此三羧酸循環是體內營養性物質最終氧化分解的共同途徑。
④三羧酸循環中的某些中間成員，可為合成某些生物活性物質提供原料，如琥珀酰CoA為合成血紅素的原料；草酰乙酸、丙酮酸及 α－酮戊二酸經氨基化後分別生成的天門冬氨酸，丙氨酸及谷氨酸，為合成蛋白質和核酸的原料。葡萄糖通過磷酸丙糖可轉變為α-磷酸甘油，通過乙酰輔酶A可合成脂肪酸及脂肪酰輔酶A，再合成脂肪，某些非糖物質也可通過此途徑轉變為糖(糖的異生途徑)。可見三羧酸循環是體內物質代謝相互轉變的聯絡機構。
⑤三羧酸循環中的某些組分可對其他代謝途徑起直接或間接的調控制約作用。如檸檬酸的積聚可通過變構效應抑制葡萄糖酯解的關鍵酶──磷酸果糖激酶，使葡萄糖分解代謝減緩。相反，某些其他代謝產物也可對三羧酸循環起調節控制作用。故通過三羧酸循環體內一些代謝途徑間可互相協調，互相制約。