對於線粒體的起源有兩種假說，分別為內共生學說與非內共生學說： 該學說認為線粒體起源於被另一個細胞吞噬的線粒體祖先——原線粒體——一種能進行三羧酸迴圈和電子傳遞的革蘭氏陰性菌。這種好氧細菌是變形菌門下的一個分支，與立克次氏體有密切關係。原線粒體被吞噬後，並沒有被消化，而是與宿主細胞形成了共生關係——寄主可以從宿主處獲得更多營養，而宿主則可使用寄主產生的能量——這種關係增加了細胞的競爭力，使其可以適應更多的生存環境。在長期對寄主和宿主都有利的互利共生中，原線粒體逐漸演變形成了線粒體 ，使宿主細胞中進行的糖酵解和原線粒體中進行的三羧酸迴圈和氧化磷酸化成功耦合。有研究認為，這種共生關係大約發生在17億年以前，，與進化趨異產生真核生物和古細菌的時期幾乎相同。但線粒體與真核生物細胞核出現的先後關係仍存在爭議。
現已發現支援內共生學說的證據包括： 線粒體擁有自己DNA，其形狀與細菌的環狀DNA類似； 線粒體的DNA上編碼了線上粒體中表達的蛋白質； 線粒體的遺傳密碼與變形菌門細菌的遺傳密碼更為相似； 線粒體核糖體不論在大小還是在結構上都與細菌70S核糖體較為相似，而與真核細胞的80S核糖體差異較大。 不足之處：
從進化角度，如何解釋在代謝上明顯佔優勢的共生體反而將大量的遺傳資訊轉移到宿主細胞中？
不能解釋細胞核是如何進化來的，即原核細胞如何演化為真核細胞？
線粒體和葉綠體的基因組中存在內含子，而真細菌原核生物基因組中不存在內含子，如果同意內共生起源學說的觀點，那麼線粒體和葉綠體基因組中的內含子從何發生？ 非內共生學說又稱為“細胞分化學說”，認為線粒體的發生是由細胞膜或內質網膜等生物膜系統中的膜結構演變而來的。非內共生學說有幾種模型，主流的模型認為在細胞進化的最初階段，原核細胞基因組複製後並不伴有典型的無絲分裂，而是擬核附近的細胞膜內陷形成雙層膜，將其中一個基因組包圍、隔離，進而發生細胞分裂。未分裂出來的子細胞則緩慢演化為細胞核、線粒體和葉綠體等高度特化的細胞結構。
不足之處：
實驗證據不多
無法解釋為何線粒體、葉綠體與細菌在DNA分子結構和蛋白質合成效能上有那麼多相似之處
真核細胞的細胞核能否起源於細菌的核區？
對於線粒體的起源有兩種假說，分別為內共生學說與非內共生學說： 該學說認為線粒體起源於被另一個細胞吞噬的線粒體祖先——原線粒體——一種能進行三羧酸迴圈和電子傳遞的革蘭氏陰性菌。這種好氧細菌是變形菌門下的一個分支，與立克次氏體有密切關係。原線粒體被吞噬後，並沒有被消化，而是與宿主細胞形成了共生關係——寄主可以從宿主處獲得更多營養，而宿主則可使用寄主產生的能量——這種關係增加了細胞的競爭力，使其可以適應更多的生存環境。在長期對寄主和宿主都有利的互利共生中，原線粒體逐漸演變形成了線粒體 ，使宿主細胞中進行的糖酵解和原線粒體中進行的三羧酸迴圈和氧化磷酸化成功耦合。有研究認為，這種共生關係大約發生在17億年以前，，與進化趨異產生真核生物和古細菌的時期幾乎相同。但線粒體與真核生物細胞核出現的先後關係仍存在爭議。
現已發現支援內共生學說的證據包括： 線粒體擁有自己DNA，其形狀與細菌的環狀DNA類似； 線粒體的DNA上編碼了線上粒體中表達的蛋白質； 線粒體的遺傳密碼與變形菌門細菌的遺傳密碼更為相似； 線粒體核糖體不論在大小還是在結構上都與細菌70S核糖體較為相似，而與真核細胞的80S核糖體差異較大。 不足之處：
從進化角度，如何解釋在代謝上明顯佔優勢的共生體反而將大量的遺傳資訊轉移到宿主細胞中？
不能解釋細胞核是如何進化來的，即原核細胞如何演化為真核細胞？
線粒體和葉綠體的基因組中存在內含子，而真細菌原核生物基因組中不存在內含子，如果同意內共生起源學說的觀點，那麼線粒體和葉綠體基因組中的內含子從何發生？ 非內共生學說又稱為“細胞分化學說”，認為線粒體的發生是由細胞膜或內質網膜等生物膜系統中的膜結構演變而來的。非內共生學說有幾種模型，主流的模型認為在細胞進化的最初階段，原核細胞基因組複製後並不伴有典型的無絲分裂，而是擬核附近的細胞膜內陷形成雙層膜，將其中一個基因組包圍、隔離，進而發生細胞分裂。未分裂出來的子細胞則緩慢演化為細胞核、線粒體和葉綠體等高度特化的細胞結構。
不足之處：
實驗證據不多
無法解釋為何線粒體、葉綠體與細菌在DNA分子結構和蛋白質合成效能上有那麼多相似之處
真核細胞的細胞核能否起源於細菌的核區？