Mitokondrier delar sig genom binär klyvning på samma sätt som bakterieceller. I encelliga eukaryoter är mitokondriernas delning kopplad till celldelningen. Denna delning måste kontrolleras så att varje dottercell får minst en mitokondrie. I andra eukaryoter (t.ex. hos människor) kan mitokondrier replikera sitt DNA och dela sig som svar på cellens energibehov, snarare än i fas med cellcykeln.
En individs mitokondriella gener ärvs inte på samma sätt som kärngener. Mitokondrierna, och därmed det mitokondriella DNA:t, kommer vanligtvis endast från ägget. Spermiens mitokondrier kommer in i ägget, men är markerade för att senare förstöras. Äggcellen innehåller relativt få mitokondrier, men det är dessa mitokondrier som överlever och delar sig för att befolka cellerna i den vuxna organismen. Mitokondrier ärvs därför i de flesta fall nedåt i den kvinnliga linjen, så kallad maternell nedärvning. Detta sätt gäller för alla djur och de flesta andra organismer. Mitokondrier ärvs dock faderskapsvis hos vissa barrträd, dock inte hos tallar och idegranar.
En enskild mitokondrion kan innehålla 2-10 kopior av sitt DNA. Därför antas mitokondriellt DNA reproduceras genom binär klyvning, vilket ger exakta kopior. Det finns dock vissa bevis för att djurmitokondrier kan genomgå rekombination. Om rekombination inte sker representerar hela den mitokondriella DNA-sekvensen ett enda haploidgenom, vilket gör den användbar för att studera populationers evolutionära historia.
Populationsgenetiska undersökningar
Att det nästan inte förekommer någon rekombination i mitokondriellt DNA gör det användbart för populationsgenetik och evolutionsbiologi. Om allt mitokondrie-DNA ärvs som en enda haploid enhet kan förhållandet mellan mitokondrie-DNA från olika individer ses som ett genträd. Mönster i dessa genträd kan användas för att dra slutsatser om populationers evolutionära historia. Det klassiska exemplet på detta är när den molekylära klockan kan användas för att ge ett datum för den så kallade mitokondriella Eva. Detta tolkas ofta som ett starkt stöd för att de moderna människorna har spridits från Afrika. Ett annat mänskligt exempel är sekvenseringen av mitokondrie-DNA från neandertalsben. Det relativt stora evolutionära avståndet mellan sekvenserna av mitokondrie-DNA från neandertalare och levande människor är ett bevis för att det generellt sett saknas korsningar mellan neandertalare och anatomiskt moderna människor.
Mitokondriellt DNA återspeglar dock endast kvinnornas historia i en population. Det kanske inte representerar hela populationens historia. I viss utsträckning kan man använda sig av faderns genetiska sekvenser från Y-kromosomen. I en bredare mening kan endast studier som även omfattar kärn-DNA ge en omfattande evolutionär historia för en population.
