Les mitochondries sont le siège de la respiration cellulaire, un processus complexe qui utilise le glucose (sucre) et l'oxygène pour produire de l'adénosine triphosphate (ATP). L'ATP est la principale molécule d'énergie utilisée par la cellule pour alimenter ses différentes activités (mouvements, réactions chimiques, transport, etc.).

Les mitochondries sont entourées d'une double membrane : une membrane externe, lisse et perméable à de nombreuses molécules, et une membrane interne, très repliée en crêtes mitochondriales, ce qui augmente considérablement la surface disponible pour les réactions de la respiration cellulaire. Cette membrane interne est beaucoup moins perméable et contient des protéines spécifiques impliquées dans la production d'ATP. L'espace entre les deux membranes est appelé espace intermembranaire. L'espace à l'intérieur de la membrane interne est appelé la matrice mitochondriale.

La théorie endosymbiotique, la plus acceptée, est que les mitochondries sont issues d'une bactérie ancestrale qui a été englobée par une cellule eucaryote primitive il y a des milliards d'années. Cette bactérie et la cellule hôte ont développé une relation symbiotique, où la bactérie fournissait de l'énergie à la cellule hôte, et la cellule hôte fournissait un environnement protecteur et des nutriments à la bactérie. Au fil du temps, cette bactérie est devenue ce que nous connaissons aujourd'hui comme la mitochondrie. Cette origine endosymbiotique explique pourquoi les mitochondries ont leur propre ADN (ADN mitochondrial) et leurs propres ribosomes, différents de ceux du reste de la cellule. Cela leur permet de synthétiser certaines de leurs propres protéines.

Bien que la production d'énergie soit leur rôle principal, les mitochondries sont également impliquées dans d'autres processus cellulaires importants, tels que l'apoptose (mort cellulaire programmée), la signalisation calcique, la synthèse de certaines molécules et la production de chaleur (thermogénèse). Elles jouent aussi un rôle dans le métabolisme des lipides.