Các sinh vật đa bào thường có mtDNA vòng, tức là sợi kép DNA được khép kín.

Tuy nhiên đã phát hiện tổ chức mtDNA thẳng ở nhiều sinh vật đơn bào (như Trùng lông ciliate Tetrahymena hoặc các loại tảo xanh Chlamydomonas reinhardtii), và một số sinh vật đa bào (như một số loài thích ty bào cnidaria). Điểm đầu của các dạng mtDNA thẳng tạo ra telomerase telomere độc lập với cơ chế tái tạo khác nhau, làm cho chúng trở thành đối tượng nghiên cứu thú vị, như với mtDNA thẳng tìm thấy ở nhiều tác nhân gây bệnh trong các sinh vật nguyên sinh.

Mặc dù một DNA polymerase của một mtDNA cụ thể là tồn tại (hạt nhân mã hóa Pol γ), sự tồn tại của một mtDNA riêng cho ty thể không cho phép, bất kể các tế bào chứa chúng, được phân chia và nhân lên độc lập với tế bào. Tuy nhiên, tần suất phân chia của các ty thể chỉ gián tiếp phụ thuộc vào tần suất phân chia các tế bào[6]. Trong mtDNA có một số, mặc dù không phải tất cả, các gen cho các enzym của chuỗi hô hấp, cũng như các gen chịu trách nhiệm về các cấu trúc và sinh sản của ty thể. Tuy nhiên, các gen của hơn 90% các protein chứa trong ty thể, lại khu trú trong nhân tế bào và tổng hợp protein trong tế bào chất của tế bào. Các protein này được hoàn thành sau phiên mã và dịch thông qua một sự chuyển phức tạp (TOM/TIM) và nhập vào qua hai màng ty thể.[7]

Các mtDNA được tổ chức trong các ma trận trong cái gọi là nucleoid, một hạt nhân tương đương, như có thể được tìm thấy ở sinh vật nhân sơ. Chúng bao gồm cả axit nucleic và protein.