Un singolo mitocondrio è un organello a forma di fagiolo racchiuso da un sistema a doppia membrana. La membrana esterna dei mitocondri è liscia e contiene molte pori, i trasportatori integrali della membrana. Le porine consentono la libera diffusione di ioni e piccole molecole non cariche attraverso la membrana mitocondriale esterna, ma limitano il trasporto di molecole più grandi di 5000 Dalton. Inoltre, la membrana mitocondriale esterna forma una struttura unica chiamata siti di contatto della membrana con altri organelli subcellulari, come il reticolo endoplasmatico, il perossisoma, l'endosoma, il lisosoma e la membrana plasmatica.

La membrana mitocondriale esterna è strutturalmente e funzionalmente diversa dalla membrana mitocondriale interna che presenta molte invaginazioni chiamate cristae. Le cristae ospitano molti complessi proteici ed enzimi per la fosforilazione ossidativa (OXPOS) o le funzioni respiratorie. La disposizione della membrana interna in cristae dipende dalle proteine che modellano la membrana come i siti di contatto mitocondriali e il sistema di organizzazione delle cristae o MICOS.

La forma caratteristica delle membrane mitocondriali è fondamentale per le sue funzioni, tra cui la sintesi dell'ATP, l'autofagia (o mitofagia), la differenziazione delle cellule staminali e la risposta immunitaria innata. Tuttavia, per facilitare funzioni specifiche, le membrane mitocondriali subiscono modifiche strutturali. Ad esempio, quando vengono innescate reazioni respiratorie, la densità delle cristae aumenta per ospitare più enzimi e metaboliti, migliorando così il tasso di fosforilazione ossidativa.

Inoltre, le membrane mitocondriali possono subire fusione o fissione per orchestrare le esigenze cellulari. Ad esempio, molti mitocondri possono fondersi per combinare i loro enzimi, cofattori e altre risorse per aumentare l'efficienza della produzione di ATP quando necessario. Al contrario, i singoli mitocondri possono subire fissione (o frammentazione) per produrre specie più reattive dell'ossigeno in grado di mediare una degradazione efficiente degli organelli interni in una cellula morente. Inoltre, la frammentazione dei mitocondri è un meccanismo critico necessario per un'equa distribuzione dei mitocondri nelle cellule figlie durante la divisione cellulare.