Los genomas mitocondriales y de cloroplastos actuales han conservado algunas de las características de sus procariotas ancestrales y también han adquirido nuevos atributos durante su evolución dentro de las células eucariotas. Al igual que los genomas procariotas, los genomas mitocondrial y de cloroplastos no se unen a proteínas similares a las histonas ni muestran un empaquetamiento complejo en estructuras similares a los cromosomas, como se observa en los eucariotas. A diferencia de las divisiones celulares mitóticas observadas en las células eucariotas, las mitocondrias y los cloroplastos experimentan fisión binaria y separan igualmente su ADN en los orgánulos hijos como se observa en los procariotas. Además, los ribosomas tanto en las mitocondrias como en los cloroplastos son sensibles a los antibióticos antibacterianos.

Los genomas procariotas tienen millones de pares de bases y miles de genes; los genomas mitocondriales y de cloroplastos, excepto en unas pocas plantas, son mucho más pequeños, con un número de pares de bases de miles con unos pocos cientos de genes. Esta diferencia en el tamaño del genoma se produjo porque, durante la evolución, partes significativas de los genomas primitivos de las mitocondrias y los cloroplastos se exportaron al núcleo. Esta exportación de genes los hizo dependientes del genoma nuclear para el suministro de algunas de las proteínas necesarias para su biogénesis.

Los diferentes caminos evolutivos tomados por animales y plantas han dado lugar a diferencias significativas entre los genomas de las mitocondrias animales y las mitocondrias y cloroplastos de las plantas. Los genomas mitocondriales de los animales son más pequeños que los genomas mitocondriales y de los cloroplastos de las plantas. Además, al igual que la mayoría de los genomas procariotas, los genomas mitocondriales de los animales no llevan intrones. Sin embargo, los intrones están presentes en los genomas tanto de las mitocondrias de las plantas como de los cloroplastos. En comparación con los genomas mitocondriales, los genomas de los cloroplastos muestran menos variación en tamaño y estructura y también contienen más genes. Por ejemplo, el número de genes presentes en el genoma del cloroplasto de Arabidopsis thaliana es casi el doble de los genes presentes en su genoma mitocondrial. Además, los genomas de los cloroplastos son más similares a sus homólogos procariotas que el genoma mitocondrial, ya que son similares en sus secuencias reguladoras y en la disposición de muchos grupos de genes.