L'esame al microscopio elettronico di un mitocondrio rivela la presenza delle due membrane, una esterna e una interna, ripiegata in numerose pliche (creste mitocondriali). Le creste sono di numero variabile in base al tipo cellulare e al metabolismo della cellula; solitamente sono orientate trasversalmente rispetto all'asse maggiore dell'organulo e possono essere tubulari, lamellari e ramificate. Lo spazio delimitato dalla membrana interna, nel quale si immergono le creste, è detto matrice, ed è formato da un materiale simile a un gel; contiene gli enzimi coinvolti nelle reazioni che si svolgono nella matrice, ioni, ATP, gruppi fosfato, il DNA e i ribosomi mitocondriali.