線粒體DNA（mtDNA）呈雙鏈環狀，一個線粒體中可有1個或幾個DNA分子。mtDNA可自我複製，其複製也是以半保留方式進行的。用同位素標記證明，mtDNA複製的時間主要在細胞週期的S期和G2期。DNA先複製，隨後線粒體分裂。其複製仍受細胞核的控制，複製所需要的DNA聚合酶是由核DNA編碼，在細胞質核糖體上合成的。mtDNA雖能合成蛋白質，但其種類十分有限。迄今已知，mtDNA編碼的RNA和多肽有：線粒體核糖體中2中rRNA(12S及16S)，22種tRNA，13種多肽（每種約含50個氨基酸殘基）。組成線粒體各部分的蛋白質，絕大多數都是由核DNA編碼並在細胞質核糖體上合成後再運送到線粒體各自的功能位點上。正因如此，線粒體的遺傳系統仍然要依賴於細胞核的遺傳系統，由此，線粒體是半自主性細胞器。“線粒體DNA”是隻透過母系一脈傳遞的遺傳基因，男性也能從母親那裡繼承“線粒體DNA”，卻無法將它遺傳給自己的後代。也就是說，如果一個女性生下的全都是兒子，她的“線粒體DNA”遺傳鏈將因此終止。英國牛津大學人類遺傳學教授西基斯稱，“線粒體DNA”一般很難發生改變，平均要過2萬年“線粒體DNA”才會發生微小的變異。他說：“大多數現代歐洲人的‘線粒體DNA’可分為7種類型，就彷彿血型一樣。我們相信，每個‘線粒體DNA’相同的人都是數萬年前同一個女人的後代。”

線粒體基質中含有DNA分子和核糖體。DNA是遺傳物質，能指導蛋白質的合成，核糖體則是蛋白質合成的場所。所以，線粒體有自己的一套遺傳系統，能按照自己的DNA的資訊編碼合成一些蛋白質。組成線粒體的蛋白質約有10%就是由線粒體本身的DNA編碼合成的。線粒體有自身的DNA和遺傳體系，表現為母系遺傳，是一種半自主性的細胞器。