真核細胞的一種半自主的細胞器。由雙層膜組成的囊狀結構；其內膜向腔內突起形成許多脊，主要功能在於通過呼吸作用將食物分解產物中儲存的能量逐步釋放出來，供應細胞各項活動的需要，故有“細胞動力站”之稱。線粒體是1897年由德國學者C.本達首先命名的。mitochondrion來源於希臘字mito（線）chondrion（顆粒），也稱chondriosome。
外形、大小、數量和分佈 用暗視野或相差顯微鏡可在活細胞中觀察到線粒體，並可用染料詹納斯綠鑒定。線粒體外形和大小常隨細胞類型及生理條件的不同而有較大差別，在光學顯微鏡下呈很小的球、桿、或細絲狀，以桿狀的居多。在電子顯微鏡下，除常見的桿形、圓形外，有時還可看到環形、啞鈴形或其他形狀。線粒體的直徑在0.5～5微米的范圍內，長度為2～3微米，最長可達到10微米。大鼠的肝細胞平均約有1 000個線粒體。最少的如一種單鞭金藻，每個細胞隻含有一個線粒體。動物細胞的線粒體含量一般比植物細胞多些。
線粒體在細胞內的分佈，一般在需要能量較多的部位比較密集。例如，有些肌細胞（如膈肌）中線粒體呈環形或條形分佈，集結於肌原纖維“Ⅰ”帶周圍；在精子中線粒體圍繞於鞭毛的基部。
結構和組成 線粒體可大致分三部分：①外膜和內膜，線粒體具有內外兩層膜，平均厚度都為5～6納米，內膜向腔內突起形成嵴；②內外膜之間的空間，稱為膜間腔；③嵴與嵴之間的介質稱為基質（見圖）。各種細胞的線粒體內部結構既有共同性，又有特異性和變異性。嵴一般呈片狀，在原生動物和一般植物中呈管狀，也有的嵴分支形成網狀。嵴的數目也有很大的差別。一般需要能量較多的細胞不僅線粒體的數目較多，而且每個線粒體所含嵴的密度也較大；反之則兩者的數目都較少。
線粒體模式圖
利用負染方法，在電子顯微鏡下可觀察到在嵴的朝向基質的一面排列著許多直徑8～9納米的圓球形顆粒，並有短柄與膜連接，稱為ATP酶復合體或ATP合酶（H+–ATP合酶）。
線粒體主要由蛋白質和脂質組成。此外還含有兩種核酸(DNA,RNA)，無機鹽和輔助因子等。整個線粒體的脂質和蛋白質比例為200～300毫克脂質/1克蛋白質。脂質中約有90%以上是磷脂。外膜與內膜在化學組成上又很大的不同：前者脂質和蛋白質比例(1∶1)比後者(0.3∶1)高得多。外膜所含有的磷脂主要是卵磷脂，其次是磷脂酰乙醇胺，磷脂酰肌醇較少。膽固醇的含量約為30毫克/1克蛋白質。內膜含心磷脂很多，酸性磷脂也不少。
線粒體約有15%～50%蛋白質分佈在基質和膜間腔內，其餘都結合在膜上。
線粒體所含的蛋白質中有很多是酶，例如，外膜的：單胺氧化酶，犬尿氨酸羥化酶，NADH細胞色素b5還原酶，脂肪酰基CoA合成酶等；膜間腔內的：核苷二磷酸激酶，腺苷酸激酶等；內膜的：組成呼吸鏈的酶類，ATP合酶，β–羥丁酸脫氫酶，肉堿脂酰基轉移酶，NAD–NADP轉氫酶等；基質內的：檸檬酸合成酶，異檸檬酸脫氫酶，延胡索酸酶，蘋果酸脫氫酶，烏頭酸酶，谷氨酸脫氫酶以及脂肪酸氧化酶系等。
主要功能 線粒體含有酶和輔酶共70多種，能催化很多代謝反應，如氨基酸代謝、脂肪酸氧化分解等，並能進行DNA的復制、轉錄和RNA的轉譯等，但主要功能在於催化供能物質的氧化以釋放能量，以供細胞各種活動的需要。如葡萄糖（或糖原）氧化產生CO2和H2O的過程。它可分為兩個階段，即三羧酸循環和呼吸鏈的電子傳遞。呼吸釋放能量的過程主要是在後一階段發生的。
呼吸鏈或稱電子傳遞鏈 由電子傳遞體和氫的傳遞體組成，其中大多是帶有輔基的蛋白質。這些輔基由於加入或者移去電子或氫原子（電子＋質子）而進行氧化還原作用。三羧酸循環或脂肪酸氧化提供的NADH或FADH2進入呼吸鏈，通過電子和H+的傳遞最後與氧結合。當電子通過呼吸鏈進行傳遞時，能量逐步釋放出來。被釋放的大部分能量及時轉化合成ATP。氧化與磷酸化的偶聯過程稱為氧化磷酸化。
電子傳遞鏈在線粒體內膜主要由4個復合體組成，它們是復合體I：NADH–Q還原酶，復合體Ⅱ：琥珀酸–Q還原酶，復合體Ⅲ：QH2–細胞色素c還原酶，復合體Ⅳ：細胞色素氧化酶以及細胞色素c，泛醌(Q)等。
氧化磷酸化 供能物質通過電子傳遞鏈進行氧化，逐步將能量釋放並及時轉化為能源物質–腺三磷(ATP)，稱為氧化磷酸化。對氧化磷酸化的機理曾提出不少假說，其中1961年英國P.D.米切爾提出的“化學滲透假說”已被廣泛接受。這個假說的中心內容是呼吸鏈的各組分在線粒體內膜中的不對稱分佈，當電子在膜中迂回傳遞時，所釋放的能量將質子(H＋)由膜內（基質）泵至膜外（膜間腔），從而使膜外質子濃度高於膜內。這樣形成的跨膜的質子電化學梯度(ΔμH＋)包括兩個內容：跨膜的電位差(ΔΨ)和膜內外的pH差(ΔpH)。研究表明，電子傳遞鏈除復合體II外，復合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ都是質子泵。在質子梯度的驅動下，質子穿過膜上的ATP合酶（F1F0復合體，H＋–ATP酶，或稱復合體Ⅴ）回流入膜內，此時跨膜質子梯度差所包含的能量促使ADP和Pi合成ATP。對於ATP合酶如何合成ATP的機理，美國學者P.D.博耶在20世紀60年代提出“變構假說”（也稱“旋轉催化假說”），即在質子回流的過程中能使ATP合酶的分子發生旋轉，其中催化中心三個β亞基（它們與ADP+Pi,ATP具有不同的結合程度）的不同構象發生交替、反復的變化，從而使ADP與Pi合成ATP。
1994年英國沃克爾實驗室成功地獲得ATP合酶催化部位(F1)的晶體，並獲得瞭高分辨率的三維結構，表明ATP合酶的F1的3個β亞基的確存在不同的構象。日本吉田等更觀察到在離體條件下，F1通過ATP的水解能夠發生旋轉。這些結果有力地支持瞭博耶的假說。由此J.E.沃克與P.D.博耶榮獲1997年諾貝爾化學獎。
近年來對電子傳遞鏈的研究趨勢在於通過三維結晶的X射線衍射或二維結晶電子衍射的三位重構來闡明各復合體的空間結構，以便深入瞭解其作用機制。細胞色素氧化酶（復合體Ⅳ）和QH2–細胞色素c還原酶（復合體Ⅲ）高分辨率的空間結構已相繼解析成功。此外，牛心ATP合酶的F1的三維晶體已獲得分辨率為0.28納米的結果。
線粒體的自主性 1963年瑞典學者M.M.K.納斯和S.納斯肯定瞭雞胚線粒體內含DNA。以後又陸續發現除DNA外還含有DNA聚合酶、RNA聚合酶、核糖體、轉移RNA和氨基酸活化酶等。換言之，線粒體擁有細胞繁殖所必需的基本組分。這樣，自然會提出線粒體擁有的遺傳裝置能否完全滿足合成子代線粒體的全部需要，也就是自主性究竟有多大的問題。
首先從線粒體的DNA（簡稱mtDNA）來看，它們呈雙線環形，其外形、大小和信息含量與細胞核DNA相比都有很大的差異。而且，不同生物的mtDNA的大小、基因排列、轉錄方式甚至線粒體基因密碼本身都存在著一定的差異。動物細胞（某些原生動物除外）線粒體DNA分子的周長通常大約是5微米。面包酵母線粒體DNA為27微米。高等植物細胞線粒體DNA約20微米。5微米長的人mtDNA是由16 569堿基對組成的環狀分子，它是迄今所知的最小的mtDNA，其一級結構的序列分析已全部完成，基因圖譜也已繪制完成。線粒體雖擁有DNA，但是它的自主性很小，從動物線粒體的研究結果來看，它所編碼的僅有：線粒體核糖體中2種rRNA，22種tRNA，13種多肽（NADH–Q還原酶復合體中的7個亞基，QH2–細胞色素c還原酶中的細胞色素b，細胞色素氧化酶中3個亞基以及ATP合酶中Fo的兩個亞基）。酵母線粒體DNA比動物細胞線粒體DNA約長5倍。按理，它的信息含量和自主性要大得多，但事實並非如此。這可能與酵母線粒體DNA具有較多的不表達的內含子有關。
線粒體約含有1 000種蛋白質，除上述13種多肽外均系由核DNA編碼，在細胞質中的核糖體上合成後運送至線粒體，並分選到內膜、外膜、膜間腔及基質中。線粒體蛋白質的靶向與跨膜運送有如下特征：①通過線粒體膜的蛋白質在運送之前大多數以“前體”形式存在。它由“成熟”形式的蛋白質和N端引伸出的一段導肽（或稱引肽）共同組成。已有40多種線粒體蛋白質的導肽的一級結構已經闡明，它們含15～70個氨基酸殘基。線粒體蛋白質的靶向與分選至各部分與導肽及其各片段內所含的信息有密切的關系。但有些線粒體蛋白質卻不含導肽（如脫血紅素細胞色素c，ADP–ATP轉運體等）。②蛋白質通過線粒體膜進行運送是需能的過程。③在外、內膜都發現有不少蛋白質參與跨膜運送過程。④蛋白質跨線粒體膜運送可能通過內、外膜接觸點或先外膜後內膜分步進行。⑤蛋白質跨線粒體膜運送之前可能處於非完全折疊狀態，它被1種或1種以上的“分子伴侶”所結合，跨膜以後又被多種“分子伴侶”先後結合進行折疊與組裝。
線粒體的生物發生 線粒體在細胞內的形成可能主要有三種途徑：①由細胞質膜或其他內膜結構（內質網膜，核膜等）形成；②通過原有線粒體的分裂；③新生合成。比較起來，途徑②有較多的實驗證據。
線粒體的起源 內共生假說 認為線粒體原是一種好氧細菌。在長期進化過程中，這種好氧細菌進入體積較大的厭氧的原核細胞中與之共生，逐步丟失對它們生存不重要的一些功能，並將原有的遺傳信息大部分轉移合並到宿主細胞，而變成現今真核細胞的線粒體。它的有限自主性乃是進化的一級。內共生假說獲得較多生化研究的支持。
非共生假說 認為比較高等的好氧細菌在進化過程中伴隨著呼吸功能的增加，細胞膜表面發生內陷借以擴張其表面面積，並逐步形成一些由膜圍成的微囊，如果在形成時包進一個遊離的DNA分子片段，就成為原線粒體，以後逐步演化成現今的線粒體。根據非共生假說，線粒體乃是真核細胞形成過程中細胞內部演化的產物。
線粒體與細胞凋亡 已成為研究熱點。科學傢發現從線粒體釋放細胞色素c以及其他蛋白質因子是大部分細胞在凋亡過程中的重要環節。
線粒體與衰老、疾病即“線粒體病”的研究應追溯到1962年。這是指那些在病變細胞內線粒體異常極為明顯、且出現也較早的疾病。早期這方面的研究主要集中在肌病。故有“線粒體肌病”之稱，一般它們都屬於遺傳性疾病。曾經幾度流行於中國的地方病——克山病也是一種線粒體病，可稱為“心肌線粒體病”，但它不是遺傳性的，而是一種與營養缺乏（缺硒）密切相關的線粒體病。線粒體病已與mtDNA的損傷、缺失相聯系。與核DNA不同，mtDNA並無組蛋白與之結合，經常受氧自由基的侵襲。據估計，耗氧量約有1%～4%由於從黃素脫氫酶、泛醌Q或細胞色素b脫下的電子直接與O2作用而產生氧自由基，從而使氧化損傷的mtDNA積累量大大高於核DNA。此外，因損傷而缺失的mtDNA的復制又較完整的mtDNA要快得多。經過一定時間的積累，必然會導致線粒體內膜參與能量轉換的酶系功能異常。心血管病、神經退行性疾病（如帕金森氏病、阿爾茨海默氏病）等都發現與線粒體DNA的缺失有一定關系。最近對衰老與mtDNA的研究也日益引起註意。隨著年齡的增長，損傷mtDNA的積累也會越來越多，這對於深入研究衰老機制是值得註意的。