線粒體的內(nèi)外膜均由磷脂雙層組成，其中鑲嵌有蛋白質(zhì)，類似一般的細胞膜。然而這兩層膜具有很不同的特性：包圍整個細胞器的外膜約含50%質(zhì)量的磷脂，并且包含很多酶，參與腎上腺素的氧化，色氨酸的降解及脂肪酸的延伸等等。

而線粒體內(nèi)膜包含100多種不同的多肽，蛋白相對磷脂的比例相當高（質(zhì)量比3：1，大約一個蛋白分子對15個磷脂）。此外，內(nèi)膜富含一種少見的磷脂心磷脂，是細菌的質(zhì)膜所特有的。

外膜包含很多稱作“孔道蛋白”的整合蛋白，具有相對大的內(nèi)部通道（大約2-3納米，醫(yī)學(xué)教育|網(wǎng)搜集可允許離子和小分子通過。而大分子不能通過外膜。內(nèi)膜不含孔道蛋白，通透性很弱，幾乎所有離子和分子都需要特殊的跨膜轉(zhuǎn)運蛋白來進出基質(zhì)。