Mitochondrie se dělí binárním dělením podobně jako bakteriální buňky. U jednobuněčných eukaryot je dělení mitochondrií spojeno s dělením buněk. Toto dělení musí být řízeno tak, aby každá dceřiná buňka získala alespoň jednu mitochondrii. U jiných eukaryot (například u člověka) mohou mitochondrie replikovat svou DNA a dělit se v závislosti na energetických potřebách buňky, nikoli ve fázi buněčného cyklu.
Mitochondriální geny se nedědí stejným mechanismem jako geny jaderné. Mitochondrie, a tedy i mitochondriální DNA, obvykle pochází pouze z vajíčka. Mitochondrie spermie se dostanou do vajíčka, ale jsou označeny pro pozdější zničení. Vajíčková buňka obsahuje relativně málo mitochondrií, ale právě tyto mitochondrie přežívají a dělí se, aby osídlily buňky dospělého organismu. Mitochondrie se proto ve většině případů dědí po ženské linii, tzv. dědičnost po matce. Tento způsob platí pro všechny živočichy a většinu ostatních organismů. U některých jehličnanů se však mitochondrie dědí otcovskou linií, nikoli však u borovic a tisů.
Jeden mitochondrion může obsahovat 2-10 kopií DNA. Z tohoto důvodu se předpokládá, že se mitochondriální DNA rozmnožuje binárním dělením, takže vytváří přesné kopie. Existují však určité důkazy, že živočišné mitochondrie mohou podléhat rekombinaci. Pokud k rekombinaci nedochází, představuje celá sekvence mitochondriální DNA jediný haploidní genom, což ji činí užitečnou pro studium evoluční historie populací.
Populačně genetické studie
Díky tomu, že v mitochondriální DNA téměř nedochází k rekombinaci, je užitečná pro populační genetiku a evoluční biologii. Pokud se veškerá mitochondriální DNA dědí jako jediná haploidní jednotka, lze vztahy mezi mitochondriální DNA různých jedinců zobrazit jako genový strom. Vzorce v těchto genových stromech lze použít k odvození evoluční historie populací. Klasickým příkladem je případ, kdy lze molekulární hodiny použít k určení data vzniku tzv. mitochondriální Evy. To je často interpretováno jako silná podpora šíření moderních lidí z Afriky. Dalším příkladem lidského rodu je sekvenování mitochondriální DNA z kostí neandertálců. Poměrně velká evoluční vzdálenost mezi sekvencemi mitochondriální DNA neandertálců a žijících lidí svědčí o obecném nedostatku křížení mezi neandertálci a anatomicky moderními lidmi.
Mitochondriální DNA však odráží pouze historii samic v populaci. Nemusí odrážet historii populace jako celku. Do určité míry lze využít otcovské genetické sekvence z chromozomu Y. V širším smyslu mohou komplexní evoluční historii populace poskytnout pouze studie, které zahrnují také jadernou DNA.
