Olahraga meningkatkan metabolisme otot, kebutuhan oksigen, produksi karbon dioksida, serta pada intensitas sedang hingga berat meningkatkan pembentukan asam laktat. Selain sistem otot dan kardiopulmoner, aktivitas fisik juga memengaruhi metabolisme perantara serta keseimbangan cairan dan elektrolit. Sumber energi yang digunakan bergantung pada intensitas, durasi, dan kondisi latihan.
Pada awal olahraga, otot menggunakan glikogen dan glukosa melalui fosforilasi oksidatif untuk menghasilkan ATP. Epinefrin meningkatkan pelepasan glukosa dari hati dan asam lemak dari jaringan adiposa, sehingga lebih banyak substrat tersedia bagi otot. Pada aktivitas yang lebih lama, penggunaan asam lemak meningkat dan menjadi sumber energi utama jika oksigen tersedia dalam jumlah cukup.
Pada olahraga berat, penghantaran oksigen dapat menjadi terbatas sehingga glikolisis anaerob dan pembentukan laktat semakin penting. Metabolisme anaerob hanya menghasilkan sekitar 2 sampai 3 ATP per molekul glukosa, jauh lebih sedikit dibandingkan sekitar 32 ATP melalui fosforilasi oksidatif, sehingga tidak dapat dipertahankan lama. Setelah olahraga berhenti, konsumsi oksigen tetap meningkat untuk membayar utang oksigen, sementara laktat dapat diubah kembali menjadi glukosa oleh hati.
Kontraksi berkekuatan tinggi bergantung pada fosfokreatin sebagai sumber cepat untuk membentuk kembali ATP. Cadangan fosfokreatin menurun tajam selama menit pertama, kemudian glikogenolisis otot mengambil peran lebih besar. Akumulasi piruvat dan laktat menurunkan pH otot dan menyebabkan penurunan kekuatan, sedangkan serabut otot yang lebih lambat dan oksidatif memiliki lebih banyak kapiler serta mitokondria untuk mendukung aktivitas berkepanjangan.
Stamina otot sangat dipengaruhi oleh ketersediaan glikogen. Pelari jarak jauh dapat mengalami kelelahan atau “menabrak dinding” ketika cadangan glikogen otot menjadi sangat rendah, karena penggunaan ATP lebih cepat daripada pembentukannya. Asupan karbohidrat sebelum aktivitas dan proses glukoneogenesis dapat meningkatkan glukosa yang beredar, menghemat glikogen, serta memperpanjang waktu latihan.
Latihan kekuatan atau resistensi bertujuan meningkatkan kemampuan otot menghasilkan gaya melalui sedikit repetisi dengan beban tinggi. Adaptasi utamanya adalah hipertrofi, yaitu peningkatan ukuran sel, jumlah miofibril, dan sarkomer, sedangkan perubahan kapasitas metabolik relatif kecil. Latihan aerobik atau ketahanan menggunakan banyak repetisi dengan beban rendah dan bertujuan meningkatkan daya tahan serta menunda kelelahan.
Latihan aerobik meningkatkan jumlah dan ukuran mitokondria, aktivitas enzim oksidatif, kepadatan kapiler, penyimpanan glikogen, serta kemampuan menggunakan lemak sebagai energi. Aktivitas enzim seperti sitrat sintase dan sitokrom c dapat meningkat, sehingga produksi ATP menjadi lebih efisien dan ketergantungan pada metabolisme anaerob berkurang. Latihan ini juga meningkatkan ekspresi GLUT-4 dan heksokinase, sehingga membantu penggunaan glukosa, termasuk pada penderita diabetes, tetapi sebagian besar adaptasi dapat berbalik saat latihan dihentikan atau terjadi tirah baring lama.
Olahraga menyebabkan penurunan volume plasma karena keringat, terutama di lingkungan panas. Keringat bersifat lebih encer daripada plasma, tetapi kehilangan natrium dan klorida meningkat ketika laju keringat tinggi, sementara aklimatisasi panas membantu menghasilkan keringat yang lebih encer dan menghemat elektrolit. Minuman olahraga yang mengandung air, natrium klorida, kalium, dan kadang karbohidrat dapat membantu pemulihan, tetapi konsumsi air berlebihan tanpa elektrolit dapat menyebabkan hiponatremia berbahaya.