A mitocôndria se divide por fissão binária semelhante à divisão das células bacterianas. Nas eucariotas unicelulares, a divisão das mitocôndrias está ligada à divisão celular. Esta divisão deve ser controlada para que cada célula filha receba pelo menos uma mitocôndria. Em outras eucariotas (em humanos, por exemplo), as mitocôndrias podem replicar seu DNA e dividir-se em resposta às necessidades energéticas da célula, em vez de estarem em fase com o ciclo celular.
Os genes mitocondriais de um indivíduo não são herdados pelo mesmo mecanismo que os genes nucleares. A mitocôndria, e portanto o DNA mitocondrial, geralmente vem apenas do ovo. As mitocôndrias dos espermatozóides entram no óvulo, mas são marcadas para posterior destruição. A célula do óvulo contém relativamente poucas mitocôndrias, mas são estas mitocôndrias que sobrevivem e se dividem para povoar as células do organismo adulto. As mitocôndrias são, portanto, na maioria dos casos, herdadas pela linha feminina, conhecida como herança materna. Este modo é verdadeiro para todos os animais, e para a maioria dos outros organismos. Entretanto, a mitocôndria é herdada paternalmente em algumas coníferas, embora não em pinheiros ou teixos.
Uma única mitocôndria pode conter 2-10 cópias de seu DNA. Por esta razão, pensa-se que o DNA mitocondrial se reproduza por fissão binária, produzindo assim cópias exatas. Entretanto, há algumas evidências de que mitocôndrias animais podem sofrer recombinação. Se a recombinação não ocorrer, toda a seqüência de DNA mitocondrial representa um único genoma haplóide, o que o torna útil para o estudo da história evolutiva das populações.
Estudos genéticos da população
A quase ausência de recombinação no DNA mitocondrial torna-o útil para a genética populacional e a biologia evolutiva. Se todo o DNA mitocondrial for herdado como uma única unidade haplóide, as relações entre o DNA mitocondrial de diferentes indivíduos podem ser vistas como uma árvore genealógica. Os padrões nestas árvores genealógicas podem ser usados para inferir a história evolutiva das populações. O exemplo clássico disto é onde o relógio molecular pode ser usado para dar uma data para a chamada Vésperamitocondrial. Isto é freqüentemente interpretado como um forte apoio para a propagação dos humanos modernos para fora da África. Outro exemplo humano é o seqüenciamento do DNA mitocondrial dos ossos de Neanderthal. A distância evolucionária relativamente grande entre as seqüências de DNA mitocondrial de Neandertais e humanos vivos é evidência de uma falta geral de reprodução entre Neandertais e humanos anatômicos-modernos.
Entretanto, o DNA mitocondrial reflete apenas a história das fêmeas em uma população. Ele pode não representar a história da população como um todo. Em certa medida, podem ser usadas seqüências genéticas paternais do cromossomo Y. Em um sentido mais amplo, apenas estudos que também incluam DNA nuclear podem fornecer uma história evolutiva abrangente de uma população.
