La clasificación nutricional de un organismo se realiza según tres criterios importantes: el origen del carbono, la fuente de energía y los donadores de electrones:^[1]​^[2]​

• Fuente de energía: Se refiere al método empleado por el organismo para producir ATP, que se requiere para aprovisionar de combustible los caminos anabólicos de biosíntesis de los componentes de la célula. Un organismo es fotoautótrofo cuando utiliza luz como fuente de energía, mientras que es quimioautótrofo cuando obtiene la energía de reacciones con compuestos químicos.

• Fuente reductora o donador de electrones: Se refiere a los compuestos donadores de electrones que se utilizarán en la biosíntesis (por ejemplo, en forma de NADH o NADPH). Un organismo se denomina organótrofo cuando utiliza compuestos orgánicos como fuente de electrones, mientras que se denomina litótrofo cuando utiliza compuestos inorgánicos. Los organismos organotrofos son, a menudo, también heterótrofos, y así usan compuestos orgánicos como fuente de electrones y de carbono al mismo tiempo. De forma similar, los organismos litotrofos son a menudo también autótrofos, con fuentes inorgánicas de electrones y dióxido de carbono como fuente inorgánica del carbono.

• Fuente del carbono: Se refiere a la fuente del carbono usada por el organismo para su crecimiento y desarrollo. Un organismo se denomina heterótrofo si usa compuestos orgánicos procedentes de otros organismos y autótrofo si su fuente del carbono es el dióxido de carbono (CO₂).

La base del metabolismo energético de la mayoría de los organismos quimiotrofos es una reacción de oxidación-reducción en la cual los electrones se mueven desde un donador a un receptor de electrones. La energía se libera durante la reacción. Por lo tanto, los compuestos usados como donadores de electrones por los quimiotrofos deben ser reversibles en caminos oxidativos productores de energía y en caminos reductores biosintéticos. La gama de pares posibles de donadores y aceptadores de electrones para los quimiotrofos se limita a las reacciones que son lo bastante exoenergéticas para conservar bastante energía después de la transición de por lo menos un protón sobre una membrana (igual a -15 a -20 kJ/mol). En cambio, los fotoautótrofos pueden utilizar cualquier donador de electrones y pueden incluso catalizar reacciones altamente endoenergéticas (por ejemplo, la producción fotosintética de almidón a partir de agua y de CO₂).

Debe notarse que los términos respiración aerobia, respiración anaerobia y fermentación no se refieren a la clasificación nutricional básica, sino que simplemente reflejan el diferente uso de los posibles receptores de electrones en el metabolismo energético de los organismos quimiotrofos, tales como O₂ (respiración aerobia), NO₃^-, SO₄^2- o fumarato (respiración anaerobia), o los intermediarios metabólicos intrínsecos (fermentación). Puesto que todos los pasos de generación de ATP en la fermentación implican modificaciones de los intermediarios metabólicos en vez de una cadena de transporte de electrones es a menudo denominada como fosforilación a nivel de substrato.