Çoğu DNA, bir hücrenin çekirdeğinde bulunur. Bununla birlikte, hücre sitoplazmasındaki bazı organeller⁠ — kloroplastlar ve mitokondri⁠ gibi— ayrıca kendi DNA'larına da sahiptir. Bu organeller DNA'larını, içinde bulundukları hücrenin çekirdek DNA'sından bağımsız olarak kopyalarlar. Nükleer olmayan kalıtım, genlerin çekirdek dışındaki yapılardan kalıtımını tanımlar.

Mitokondri hem bitkilerde hem de hayvan hücrelerinde bulunur. Ökaryotik hücrelerin “güç merkezleri” olarak kabul edilirler çünkü onlar hücresel aktiviteyi besleyen enerji oluşturmak için glikozu parçalarlar. Mitokondriyal DNA yaklaşık 37 genden oluşur ve bunların çoğu oksidatif fosforilasyon adı verilen bu sürece katkıda bulunur.

Kloroplastlar bitkilerde ve alglerde bulunur ve fotosentez bölgeleridir. Fotosentez, bu organizmaların güneş ışığından glikoz üretmesine izin verir. Kloroplast DNA, çoğu fotosentezle ilgili olan yaklaşık 100 genden oluşur.

Çekirdekteki kromozomal DNA'nın aksine, kloroplast ve mitokondriyal DNA, bir organizmanın genetik materyalinin her bir ebeveynden geldiği Mendel varsayımına uymaz. Bunun nedeni, sperm hücrelerinin döllenme sırasında genellikle mitokondriyal veya kloroplast DNA'sını zigotlara aktarmamasıdır.

Bir sperm hücresi esas olarak zigota bir haploid çekirdek kromozom setine katkıda bulunurken, bir yumurta hücresi, nükleer kromozomlarına ek olarak organellerine de katkıda bulunur. Zigotlar (ve bitki hücrelerindeki kloroplastlar) tipik olarak mitokondri ve kloroplastları yalnızca yumurta hücresinden alırlar; buna anne mirası denir. Anne kalıtımı, nükleer olmayan veya dışsal bir tür kalıtımdır.

Mitokondri ve kloroplastların neden kendi DNA'ları vardır? Hakim olan açıklama, endosimbiyotik teoridir. Endosimbiyotik teori, mitokondri ve kloroplastların bir zamanlar bağımsız prokaryotlar olduğunu belirtir. Bir noktada, konakçı ökaryotik hücrelere katıldılar ve — her iki tarafın da yararına olacak— simbiyotik bir ilişkiye girdiler.