线粒体基因组中基因的数量很少，规模远小于细菌基因组。但内共生学说认为线粒体源于被吞噬的细菌，那么两者基因组规模应该较为相似。为了解释这一现象，有猜想认为原线粒体的基因除了丢失了一些外，大部分转移到了宿主细胞的细胞核中，所以核基因编码了在超过98%的线粒体表达内的蛋白质。某些有线粒体，但线粒体中不含DNA的生物（如隐孢子虫等）的mtDNA可能已完全丢失或整合入核DNA中。线粒体DNA（mtDNA）在线粒体中有2-10个备份，呈双链环状（但也有呈线状的特例存在）。mtDNA长度一般为几万至数十万碱基对，人类mtDNA的长度为16,569bp，拥有有37个基因，编码了两种rRNA（12S rRNA和16S rRNA）、22种tRNA（同样转运20种标准氨基酸，只是亮氨酸和丝氨酸都有两种对应的tRNA）以及13种多肽（呼吸链复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的亚基）。mtDNA的长度和线粒体基因组的大小因物种而异，表一列出了几种模式生物mtDNA的长度： 表一：几种模式生物mtDNA的长度生物 学名 mtDNA长度（bp） 芽殖酵母 Saccharomyces cerevisiae 85779 裂殖酵母 Schizosaccharomyces pombe 19431 拟南芥 Arabidopsis thaliana 366924 水稻 Oryza sativa 490520 秀丽隐杆线虫 Caenorhabditis elegans 13794 黑腹果蝇 Drosophila melanogaster 19517 非洲爪蟾 Xenopus laevis 17553 小鼠 Mus musculus 16300 mtDNA利用率极高，线粒体基因组各基因之间排列十分紧凑，部分区域还可能出现重叠（即前一个基因的最后一段碱基与下一个基因的第一段碱基相衔接）。人类mtDNA中基因间隔区总共只有87bp，占mtDNA总长的0.5%。mtDNA的两条DNA单链均有编码功能，其中重链编码两个rRNA、12个mRNA和14个tRNA；轻链编码一个mRNA和8个tRNA。mtDNA一般没有内含子（如人类的mtDNA等），但也已发现某些真核生物的mtDNA拥有内含子，这些生物包括：盘基网柄菌等原生生物和酵母菌（其OXi3基因有9个内含子）。这些mtDNA中的内含子在基因转录产物的加工和翻译中可能有一定功能。
线粒体基因组通常都是存在于同一个mtDNA分子中，但少数生物的线粒体基因组却分别储存在多个不同的mtDNA中。例如，人虱的线粒体基因组就分开储藏于18个长约3-4kb的微型环状DNA中，每个DNA分子只分配到了1-3个基因。这些微型环状DNA之间也存在着同源或非同源的基因重组现象，但成因未知。 线粒体的融合是与分裂协同进行的，过程高度保守，需要在多种蛋白质的精确调控下完成。两者一般保持动态平衡，这种平衡对维持线粒体正常的形态、分布和功能十分重要。线粒体融合与分裂间的失衡可产生巨型线粒体，这种过大的线粒体常见于病变的肝细胞、恶性营养不良患者的胰脏细胞和白血病患者骨髓的巨噬细胞中。分裂异常会导致线粒体破碎，而融合异常则会导致线粒体形态延长，两者都会影响线粒体的功能。分裂与融合活动异常的线粒体膜电位通常会降低，并最终经线粒体自噬作用清除。
线粒体的分裂在真核细胞内经常发生。为了保证在细胞发生分裂后每个子细胞都能继承母细胞的线粒体，母细胞中的线粒体在一个细胞周期需要至少复制一次。即使是在不再分裂的细胞内，线粒体为了填补已老化的线粒体造成的空缺也需要进行分裂。的线粒体以与细菌的无丝分裂类似的方式进行增殖，可细分为三种模式：
间壁分离（见于部分动物和植物线粒体）：线粒体内部首先由内膜形成隔，随后外膜的一部分内陷，插入到隔的双层膜之间，将线粒体一分为二。
收缩分离（见于蕨类植物和酵母菌线粒体）：线粒体中部先缢缩同时向两端不断拉长然后一分为二。
出芽分离（见于藓类植物和酵母菌线粒体）：线粒体上先出现小芽，小芽脱落后成长、发育为成熟线粒体。
线粒体的融合也是细胞中的基本事件，对线粒体正常功能的发挥具有非常重要的作用。人类细胞需要通过线粒体融合的互补作用来抵抗衰老；酵母细胞线粒体融合发生障碍会引起呼吸链缺陷。线粒体间的融合需在一种分子量约为800kDa的蛋白质复合物——“融合装置”（fusion machinery）的介导下进行，该过程可大致分为四个步骤：锚定、外膜融合、内膜融合以及基质内含物融合。 线粒体的平均寿命约为10天。衰亡的线粒体可通过保留的线粒体直接分裂为二予以补充。在病理状态下，线粒体的增生实际上是对慢性非特异性细胞损伤的适应性反应或细胞功能升高的表现。例如心瓣膜病时的心肌线粒体、周围血液循环障碍伴间歇性跛行时的骨骼肌线粒体的呈增生现象。
线粒体数量减少则见于急性细胞损伤时线粒体崩解或自溶的情况下，持续约15分钟。慢性损伤时由于线粒体逐渐增生，故一般不见线粒体减少（甚至反而增多）。此外，线粒体的减少也是细胞未成熟和（或）去分化的表现。 细胞损伤时最常见的改变为线粒体肿大。根据线粒体的受累部位可分为基质型肿胀和嵴型肿胀二种类型，而以前者为常见。基质型肿胀时线粒体变大变圆，基质变浅、嵴变短变少甚至消失（图1－9）。在极度肿胀时，线粒体可转化为小空泡状结构。此型肿胀为细胞水肿的部分改变。光学显微镜下所谓的浊肿细胞中所见的细颗粒即肿大的线粒体。嵴型肿较少见，此时的肿胀局限于嵴内隙，使扁平的嵴变成烧瓶状乃至空泡状，而基质则更显得致密。嵴型肿胀一般为可复性，但当膜的损伤加重时，可经过混合型而过渡为基质型。
线粒体为对损伤极为敏感的细胞器，其肿胀可由多种损伤因子引起，其中最常见的为缺氧；此外，微生物毒素、各种毒物、射线以及渗透压改变等亦可引起。但轻度肿大有时可能为其功能升高的表现，较明显的肿胀则恒为细胞受损的表现。但只要损伤不过重、损伤因子的作用不过长，肿胀仍可恢复。
线粒体的增大有时是器官功能负荷增加引起的适应性肥大，此时线粒体的数量也常增多，例如见于器官肥大时。反之，器官萎缩时，线粒体则缩小、变少。 线粒体嵴是能量代谢的明显指征，但嵴的增多未必均伴有呼吸链酶的增加。嵴的膜和酶平行增多反映细胞的功能负荷加重，为一种适应状态的表现；反之，如嵴的膜和酶的增多不相平行，则是胞浆适应功能障碍的表现，此时细胞功能并不升高。
在急性细胞损伤时（大多为中毒或缺氧），线粒体的嵴被破坏；慢性亚致死性细胞损伤或营养缺乏时，线粒体的蛋白合成受障，以致线粒体几乎不再能形成新的嵴。
根据细胞损伤的种类和性质，可在线粒体基质或嵴内形成病理性包含物。这些包含物有的呈晶形或副晶形（可能由蛋白构成），如在线粒体性肌病或进行性肌营养不良时所见,有的呈无定形的电子致密物，常见于细胞趋于坏死时，乃线粒体成分崩解的产物（脂质和蛋白质），被视为线粒体不可复性损伤的表现。线粒体损伤的另一种常见改变为髓鞘样层状结构的形成，这是线粒体膜损伤的结果。
衰亡或受损的线粒体，最终由细胞的自噬过程加以处理并最后被溶酶体酶所降解消化。
