線粒體外胚層:線粒體外胚層是位於線粒體最外圍的單位膜，厚度約6-7nm。磷脂與蛋白質的質量比為0.9:1，接近真核細胞膜的相同比例。線粒體外膜中酶的含量相對較少，其標誌酶為單胺氧化酶。線粒體外膜含有壹種被稱為“孔蛋白”的整合蛋白，其內部通道寬約2-3nm，使線粒體外膜對分子量小於5000Da的分子完全通透。
線粒體膜間隙:線粒體膜間隙是線粒體外膜和線粒體內膜之間的間隙，約6-8nm寬，充滿無定形液體。由於線粒體外膜含有多孔蛋白，通透性高，而線粒體內膜通透性低，所以線粒體間質內容物的組成與細胞質基質非常接近，含有許多生化反應底物、可溶性酶和輔因子。線粒體膜間隙中還有腺苷酸激酶、壹磷酸激酶、二磷酸激酶等激酶，腺苷酸激酶是線粒體膜間隙的標誌酶。線粒體膜間隙中的蛋白質可以統稱為“線粒體膜間隙中的蛋白質”，所有這些蛋白質都是在細胞質基質中合成的。
線粒體內膜:線粒體內膜是位於線粒體外膜內部，被線粒體基質包裹的單位膜。線粒體內膜中蛋白質與磷脂的質量比約為0.7:0.3，並含有大量心磷脂(心磷脂往往是細菌細胞膜的成分)。線粒體內膜的某些部分會折疊到線粒體基質上，形成線粒體脊。線粒體內膜的標誌酶是細胞色素氧化酶。線粒體通過向內凹陷形成脊，從而增加內膜的面積。那麽就可以在內膜上進行更多的反應。
線粒體基質:線粒體基質是線粒體內膜包裹的內部空間，內含多種參與三羧酸循環、脂肪酸氧化、氨基酸降解等生化反應的蛋白酶，因此比細胞質基質厚。蘋果酸脫氫酶是線粒體基質的標誌酶。線粒體基質壹般包含線粒體DNA、RNA和核糖體。