A membrana interna das mitocôndrias é semipermeável e possui invaginações internas onde acontecem as reações da via metabólica conhecida como cadeia de transporte de elétrons, e onde se encontra a ATP-sintase.

Na matriz mitocondrial localiza-se a maioria das enzimas para o ciclo dos ácidos tricarboxílicos e outras rotas de oxidação.

A mitocôndria possui cerca de 20000 pares de bases de DNA, que codificam apenas 13 diferentes subunidades de proteínas envolvidas na fosforilação oxidativa.

A maioria das proteínas presentes na mitocôndria é codificada por DNA nuclear e sintetizada nos ribossomos citoplasmáticos.

A análise de DNA mitocondrial (mtDNA) é utilizada para a solução de crimes e identificação de pessoas, em tecidos como ossos, cabelos e dentes.