Unter diesem Begriff versteht man einen Vorgang, bei dem Teilchen (zum Beispiel Protonen) in Richtung eines Konzentrationsgradienten durch eine biologische Membran diffundieren (zum Beispiel die innere Membran der Mitochondrien oder die Thylakoidmembran der Chloroplasten) und dabei ATP synthetisieren oder andere endergonische Reaktionen antreiben.
Der wichtigste chemiosmotische Vorgang in der Zellbiologie ist sicherlich der Protonenfluss während der Atmungskette bei der aeroben Oxidation von Glucose sowie der Protonenfluss während der Lichtreaktion bei der Photosynthese. Die Protonen fließen durch eine ATP-Synthase durch die innere Mitochondrienmembran bzw. durch die Tylakoidmembran. Die Diffusion von drei Protonen liefert dann genug Energie, um jeweils 1 ATP herzustellen.
Die chemiosmotische Theorie wurde 1961 von Peter D. Mitchell vorgeschlagen. 1987 erhielt Mitchell dafür den Nobelpreis für Chemie.