在动物细胞的所有细胞器中，只有线粒体有自己独立的基因组。动物线粒体 DNA 是一种双链闭合环状分子，具有约 20,000 个碱基对。线粒体 DNA 的独特之处在于，它的两条链中的一条，重链或 H 链富含鸟嘌呤，而互补链富含胞嘧啶，称为轻链或 L 链。与核 DNA 相比，线粒体 DNA 的非编码区百分比非常低，并且以完全没有内含子为标志。此外，它们的基因间隔非常紧密，其中一些甚至具有重叠的区域。D 环是线粒体 DNA 最重要的调节性非编码区，它还包含 H 链复制的起点。线粒体遗传密码在一些密码子方面与核 DNA 密码不同。例如，密码子 UGA、AUA 和 AGA/AGG 分别编码核 DNA 中的 STOP 密码子、异亮氨酸和精氨酸，而相同的密码子在动物线粒体 DNA 中分别编码色氨酸、蛋氨酸和 STOP 密码子。
核 DNA 的复制与细胞周期相协调，必须在细胞分裂发生之前完成。线粒体基因组的另一个特征是其松散的 DNA 复制，与核 DNA 不同，复制独立于细胞周期，即使在细胞分裂后也可以在子细胞中继续进行。
母系遗传
在哺乳动物中，线粒体 DNA 只能从母亲的卵母细胞遗传，因为精子中存在的线粒体被受精卵中的泛素介导的途径选择性降解。线粒体基因的突变可导致 Leber 遗传性视神经病变或 Leigh 综合征等疾病;因此，如果母亲携带此类突变， 她的后代可以遗传这些疾病。最近，线粒体替代等新疗法可以让受影响的母亲生下未受影响的孩子。在受精前，母亲卵母细胞的核被转移到线粒体正常的健康供体的去核卵母细胞上。这种技术导致了所谓的“三亲婴儿”的诞生，他们没有遗传母亲的线粒体疾病。
