内侧翻外膜
简介线粒体具有两个功能不同的膜：外膜和内膜。线粒体外膜完整包围细胞器，与细胞膜成份一致。而内膜具有很多向内的皱褶，称为“嵴”。嵴上面有很多用于有氧呼吸和制造ATP的结构，这些折叠可以增加线粒体内膜的表面积以增强其效率。 内膜将线粒体其分成两个部分：内膜之内的部分称为“基质”，而内外膜之间的部分称为“膜间腔”。
结构在不同的细胞类型中，线粒体的整体结构可能会非常不同。某些情况下，线粒体如右图所示，很像个香肠的形状，大小1到4微米。另一些时候，线粒体会形成分叉且相互连接的管状网络。通过观察活细胞中被荧光标记的线粒体，发现它们能够戏剧性地改变形状。此外，几个线粒体可以融合成一个，一个也可以分裂成两个。线粒体膜
线粒体的内外膜均由磷脂双层组成，其中镶嵌有蛋白质，类似一般的细胞膜。然而这两层膜具有很不同的特性：包围整个细胞器的外膜约含50%质量的磷脂，并且包含很多酶，参与肾上腺素的氧化，色氨酸的降解及脂肪酸的延伸等等。
而线粒体内膜包含100多种不同的多肽，蛋白相对磷脂的比例相当高（质量比3:1，大约一个蛋白分子对15个磷脂）。此外，内膜富含一种少见的磷脂心磷脂，是细菌的质膜所特有的。
外膜包含很多称作“孔道蛋白”的整合蛋白，具有相对大的内部通道（大约2-3纳米，可允许离子和小分子通过。而大分子不能通过外膜。内膜不含孔道蛋白，通透性很弱，几乎所有离子和分子都需要特殊的跨膜转运蛋白来进出基质。
线粒体基质
除各种酶之外，线粒体基质中还有核糖体和少量DNA分子。也就是说，线粒体含有自己的遗传物质，且具有能够加工其自身DNA和蛋白的工具（参见：蛋白质生物合成）。细胞染色体之外的DNA编码几种线粒体的肽（人有13种），包括线粒体内膜中的蛋白，而更多的蛋白是由细胞核中的基因编码的。