Mitochondrien werden durch eine Doppelmembran begrenzt.

Die äußere Membran umschließt das Organell und hat Schutzfunktion. Substanzen können durch Porenproteine aber fast ungehindert passieren. Die Kontrolle des Substanztransports findet erst an der Innenmembran statt. Die innere Membran stülpt sich senkrecht zur Längsachse in das Innere ein. Die Einstülpungen werden als Cristae bezeichnet. Dadurch wird eine OF-Vergrößerung erreicht. In der Innenmembran befinden sich Enzyme, die an der Zellatmung beteiligt sind (z.B. ATP-Synthase).

Neben dem Cristae-Typ kann die Innenmembran aber auch noch auf andere Art und Weise gefaltet sein: beim Tubuli-Typ bildet die Innenmembran röhrenförmige Einstülpungen, beim Sacculi-Typ werden Säckchen gebildet.

Der Raum, der von der Innenmembran eingeschlossen ist wird, enthält die Mitochondrienmatrix. Dort befinden sich ebenfalls Enzyme für die Zellatmung.

Auch Mitochondrien besitzen eigene DNA und eigene Ribosomen.