线粒体作为真核生物能量转化的核心器官，扮演着氧化代谢的关键角色。它们是糖类、脂肪和氨基酸最终氧化释放能量的场所，主要通过三羧酸循环与氧化磷酸化这两个过程实现。在细胞质基质中，糖酵解产生NADH和FADH2等还原型分子，这些分子随后在线粒体基质中的三羧酸循环中进一步氧化。三羧酸循环中，乙酰辅酶A作为关键底物，每循环一次就会生成3分子NADH和1分子FADH2，以及GTP，为后续的氧化磷酸化提供能量。
氧化磷酸化是线粒体的另一个重要功能，NADH和FADH2等还原物质通过电子传递链将氧气还原，同时释放能量。这个过程的一部分能量用于合成ATP，剩余的则以热能形式散失。这个过程还可能导致超氧化物的形成，引发氧化应激，影响线粒体性能。
线粒体还负责储存和调节细胞内的钙离子浓度，作为细胞的钙离子缓冲区。钙离子进出线粒体主要依赖单向运送体和钠-钙交换蛋白，钙离子的动态平衡对于细胞信号传导至关重要，如神经递质释放和激素分泌。
除了能量生成，线粒体还有其他生理功能，如维持膜电位、参与细胞凋亡、调控细胞增殖和代谢、合成胆固醇和某些血红素。每个细胞类型的线粒体功能可能有所不同，如肝脏线粒体具有氨解毒的独特能力。
线粒体是1850年发现的，1898年命名。线粒体由两层膜包被，外膜平滑，内膜向内折叠形成嵴，两层膜之间有腔，线粒体中央是基质。基质内含 有与三羧酸循环所需的全部酶类，内膜上具有呼吸链酶系及ATP酶复合体。线粒体能为细胞的生命活动提供场所，是细胞内氧化磷酸化和形成ATP的主要场所，有细胞"动力工厂" (power plant)之称。另外，线粒体有自身的DNA和遗传体系， 但线粒体基因组的基因数量有限，因此，线粒体只是一种半自主性的细胞器。