NADH-Q還原酶，又稱“NADH脫氫酶”或“復合體I”，是電子傳遞鏈中的第一個蛋白。它是一個巨大的酶，在哺乳動物中該復合體由46亞基組成，有1000千道爾頓（kDa）。目前只了解一種細菌的復合體詳細結構；大多數生物的復合體酷似有一個大“球”的靴子，從膜中穿到線粒體。編碼單個蛋白質的基因同時包含在細胞核和線粒體基因組中，許多線粒體酶都是這種情況。
此酶催化的反應為NADH被輔酶Q10，即線粒體膜上的一種脂溶性醌類“泛醌”（在下面公式中寫作Q）所氧化，同時轉移兩個電子：
這個反應乃至于整個電子鏈，是從NADH分子與復合體I結合及放出兩個電子而開始。電子通過附著在其上的黃素單核苷酸（FMN）輔基進入復合體I。電子的加入使FMN轉換為它的還原形式，FMNH2。電子隨后通過一系列存在于復合體中的第二種輔基鐵硫簇轉移。復合體I中存在兩種鐵硫簇，[2Fe-2S]和[4Fe-4S]。
電子穿過復合體時，有4個質子從基質泵入膜間隙。尚不清楚其中的機制，但似乎與復合體I的構象改變有關，這可使該蛋白質在膜的N側結合質子，并在P側釋放它們。最后，電子從鐵硫簇鏈轉移到膜中的泛醌分子上。泛醌的還原也有助于質子梯度的產生，因為基質中的兩個質子被用于泛酚（QH2）的還原。