線粒體具有兩個功能不同的膜：外膜和內膜。線粒體外膜完整包圍細胞器，與細胞膜成份一致。而內膜具有很多向內的皺褶，稱為“嵴”。嵴上面有很多用於有氧呼吸和製造ATP的結構，這些摺疊可以增加線粒體內膜的表面積以增強其效率。 內膜將線粒體其分成兩個部分：內膜之內的部分稱為“基質”，而內外膜之間的部分稱為“膜間腔”。
結構,線粒體基質,
結構
在不同的細胞類型中，線粒體的整體結構可能會非常不同。某些情況下，線粒體如右圖所示，很像個香腸的形狀，大小1到4微米。另一些時候，線粒體會形成分叉且相互連線的管狀網路。通過觀察活細胞中被螢光標記的線粒體，發現它們能夠戲劇性地改變形狀。此外，幾個線粒體可以融合成一個，一個也可以分裂成兩個。線粒體膜
線粒體的內外膜均由磷脂雙層組成，其中鑲嵌有蛋白質，類似一般的細胞膜。然而這兩層膜具有很不同的特性：包圍整個細胞器的外膜約含50%質量的磷脂，並且包含很多酶，參與腎上腺素的氧化，色氨酸的降解及脂肪酸的延伸等等。
而線粒體內膜包含100多種不同的多肽，蛋白相對磷脂的比例相當高（質量比3:1，大約一個蛋白分子對15個磷脂）。此外，內膜富含一種少見的磷脂心磷脂，是細菌的質膜所特有的。
外膜包含很多稱作“孔道蛋白”的整合蛋白，具有相對大的內部通道（大約2-3納米，可允許離子和小分子通過。而大分子不能通過外膜。內膜不含孔道蛋白，通透性很弱，幾乎所有離子和分子都需要特殊的跨膜轉運蛋白來進出基質。
