Hiện nay có hai giả thuyết về nguồn gốc ty thể: nội cộng sinh và tự sinh. Những đề xuất từ giả thuyết nội cộng sinh cho rằng ty thể từng là tế bào nhân sơ nguyên thủy, có khả năng thực hiện những cơ chế oxy hóa mà tế bào nhân thực không thể thực thi được; và sau đó chúng trở thành các tế bào nội cộng sinh (endosymbiont) sinh sống trong các tổ chức nhân thực.[26] Còn về giả thuyết tự sinh, người ta cho rằng ty thể sinh ra từ việc chẻ tách một phần DNA của nhân tế bào nhân thực tại thời điểm tiến hóa phân hướng khỏi sinh vật nhân sơ; phần DNA này có thể được bọc bởi những lớp màng không bị protein pha tạp. Nhưng càng ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy ty thể mang nhiều đặc tính chung với vi khuẩn, do đó dẫn đến việc chấp nhận rộng rãi giả thuyết nội cộng sinh.[26][27]

Mỗi ty thể chứa trong mình vật chất di truyền DNA, gọi là nhiễm sắc thể dạng vòng, được nhân thành một số bản sao từ một phân tử độc nhất. Nhiễm sắc thể ty thể mang các gen quy định protein oxy hóa khử, ví dụ như các enzyme tham gia chuỗi chuyền điện tử hô hấp. Giả thuyết CoRR cho rằng sự đồng định vị này (tức việc những phân tử di truyền định vị trong cùng không gian với các sản phẩm của chính nó) là định chế bắt buộc nhằm điều hòa hoạt động oxy hóa khử trong bào quan. Hệ gen ty thể mã hóa cho một số RNA cấu thành nên ribosome, và 22 loại tRNA cần thiết cho quá trình phiên mã RNA thông tin thành protein. Cấu trúc dạng vòng này cũng có mặt ở sinh vật nhân sơ. Có lẽ vì vậy mà nguyên ty thể (proto-mitochondrion) có thể có mối liên hệ khăng khít với chi Rickettsia.[28][29] Tuy nhiên, thực chất thì tổ tiên ty thể lại có quan hệ mật thiết với lớp Alphaproteobacteria, và người ta đặt ra nghi vấn liệu rằng ty thể được hình thành song hành hay tiếp sau sự xuất hiện của nhân tế bào, vấn đề này vẫn còn trong vòng tranh cãi.[30]

Một nghiên cứu mới đây[31] từ những nhà nghiên cứu thuộc Viện Đại học Hawaii tại Manoa và Đại học Tiểu bang Oregon chỉ ra nhánh SAR11 (bộ Pelagibacterales thuộc lớp Alphaproteobacteria) của vi khuẩn khả năng có chung tổ tiên tương đối gần đây với những ty thể hiện tồn ở hầu hết tế bào nhân thực.

DNA ty thể mã hóa tổng hợp nên những ribosome ty thể, tương tự ribosome vi khuẩn về kích thước và cấu trúc.[33] Nhóm ribosome này giống nhất với ribosome 70S của vi khuẩn và không thuộc nhóm ribosome 80S trôi nổi ngoài tế bào chất do DNA nhân mã hóa.

Mối quan hệ nội cộng sinh giữa ty thể với tế bào chủ chứa chúng theo Lynn Margulis là vô cùng phổ biến.[34] Thuyết nội cộng sinh đề xuất rằng ty thể là hậu duệ vi khuẩn, và bằng cách nào đó nó đã sống sót qua quá trình nhập bào đến một tế bào khác, rồi dần dần hòa hợp vào nguyên sinh chất tế bào đó. Khả năng những dạng vi khuẩn này đã chu toàn tiến trình hô hấp hiếu khí trong tế bào chủ chứa chúng, lúc mà tế bào chủ chỉ sống dựa vào quá trình đường phân và lên men có hiệu suất năng lượng kém, từ đó tạo ra một lợi thế tiến hóa đáng kể. Quan hệ nội cộng sinh này có thể đã phát triển từ 1,7[35] đến 2[36] tỷ năm về trước.

Một vài nhóm sinh vật nhân thực đơn bào chỉ còn lại dạng ty thể tiêu giảm hay sót lại những cấu trúc dẫn xuất, ví dụ: ngành Microsporidia, ngành Metamonad và lớp Archamoebae.[37] Các nhóm này thuộc về những sinh vật nhân thực nguyên thủy nhất nằm trên cây phát sinh chủng loại xây dựng từ thông tin rRNA, và người ta từng cho rằng chúng có mặt trước cả lúc ty thể bắt đầu xuất hiện. Tuy nhiên, ngày nay các nhà khoa học cho đây chỉ là hệ quả từ lỗi hấp dẫn nhánh dài (long branch attraction) trong phát sinh học. Thực chất chúng lại là những nhóm sinh vật dẫn xuất và giữ lại các gen hay bào quan nguồn gốc từ ty thể (ví dụ: mitosome và hydrogenosome).[1]

Chi Monocercomonoides dường như đã hoàn toàn mất đi ty thể và hiện tại chỉ còn lại rất ít chức năng ty thể khả năng do những protein tế bào chất đảm nhận.[38]