Les génomes mitochondriaux et chloroplastiques actuels ont conservé certaines des caractéristiques de leurs procaryotes ancestraux et ont également acquis de nouveaux attributs au cours de leur évolution au sein des cellules eucaryotes. Comme les génomes procaryotes, les génomes mitochondriaux et chloroplastiques ne se lient pas aux protéines de type histone ni montrent un emballage complexe dans des structures semblables à des chromosomes, comme observé chez les eucaryotes. Contrairement aux divisions cellulaires mitotiques observées dans les cellules eucaryotes, les mitochondries et les chloroplastes subissent une fission binaire et séparent également leur ADN dans les organites filles comme observé chez les procaryotes. De plus, les ribosomes dans les mitochondries et les chloroplastes sont sensibles aux antibiotiques antibactériens.

Les génomes procaryotes ont des millions de paires de bases et des milliers de gènes ; les génomes mitochondriaux et chloroplastiques, sauf chez quelques plantes, sont beaucoup plus petits avec quelques milliers de paires de bases et centaines de gènes. Cette différence dans la taille du génome s'est produite car, au cours de l'évolution, des parties importantes des génomes mitochondriaux et chloroplastiques primitifs ont été exportés vers le noyau. Cette exportation de gènes les rendait dépendants du génome nucléaire pour l'approvisionnement d'une partie des protéines nécessaires à leur biogenèse.

Les différents chemins évolutifs empruntés par les animaux et les plantes ont entraîné des différences significatives entre les génomes des mitochondries animales, celles végétales et des chloroplastes. Les génomes mitochondriaux animaux sont plus petits que les génomes mitochondriaux végétaux et chloroplastiques. De plus, comme la plupart des génomes procaryotes, les génomes mitochondriaux animaux ne portent aucun intron. Cependant, les introns sont présents dans les génomes des mitochondries végétales et des chloroplastes. Par rapport aux génomes mitochondriaux, les génomes chloroplastiques présentent moins de variations de taille et de structure et contiennent également plus de gènes. Par exemple, le nombre de gènes présents dans le génome chloroplastique d'Arabidopsis thaliana est presque le double des gènes présents dans son génome mitochondrial. En outre, les génomes chloroplastiques sont plus similaires à leurs homologues procaryotes que le génome mitochondrial car ils sont similaires dans leurs séquences régulatrices et l'arrangement de nombreux groupes de gènes.