Os biólogos dividem toda a vida na Terra em três domínios: bactérias, archaea e eucarya. As bactérias e as arqueas consistem em células únicas que não têm núcleo e nem organelas ligadas à membrana interna. Eukarya são todos os organismos cujas células contêm um núcleo e outras organelas ligadas à membrana interna. Os eucariotos também são conhecidos por terem uma organela especializada chamada mitocôndria. As mitocôndrias são uma característica tão comum da maioria dos eucariotos que muitas pessoas ignoram os poucos eucariotos que não possuem mitocôndrias.
Uma única célula eucariótica consiste em um citoplasma aquoso semelhante a um gel no qual uma membrana nuclear globular contém o DNA e os compartimentos ligados à membrana separam outras áreas de trabalho da célula. Quase todos os eucariotos contêm uma organela chamada mitocôndria. As mitocôndrias contêm seu próprio DNA e usam sua própria maquinaria de síntese de proteínas - completamente independente da maquinaria do resto da célula. A visão aceita é que uma bactéria invadiu um arqueano há muitas centenas de milhões de anos. O relacionamento evoluiu para um relacionamento simbiótico. As bactérias são agora conhecidas como mitocôndrias, e a combinação evoluiu para a maioria dos organismos eucarióticos conhecidos.
As mitocôndrias são os principais locais de geração de energia na maioria das células eucarióticas. Eles são essenciais para um processo chamado respiração celular aeróbica. A respiração celular é um processo no qual as células dividem as moléculas orgânicas e armazenam a energia que extraem em moléculas chamadas trifosfato de adenosina, ou ATP. Isso pode ser feito sem oxigênio, caso em que é chamado de respiração anaeróbica. Mas se o oxigênio estiver presente, a maioria das células eucarióticas e algumas células procarióticas podem gerar muito mais moléculas de ATP usando o processo de respiração celular aeróbia. Em eucariotos, esse processo ocorre dentro das mitocôndrias. Em procariotos aeróbios, esse processo ocorre na membrana celular.
Muitas células eucarióticas obtêm a maior parte de sua energia da glicose. O primeiro passo é dividir a glicose em duas partes iguais. Essa etapa é chamada de glicólise. Ocorre glicólise no citoplasma e gera um pouco de energia para a célula. A próxima etapa na produção de energia depende do tipo específico de célula e do ambiente instantâneo dentro da célula. Se os níveis de oxigênio estão baixos, as células eucarióticas podem recorrer à respiração celular anaeróbica - especificamente, um processo chamada de fermentação, que usa os produtos da glicólise para produzir um pouco mais de energia e deixa um composto chamado láctico ácido. As células musculares humanas fazem isso quando a demanda de energia dos músculos supera a taxa na qual o oxigênio é absorvido. Quando níveis suficientes de oxigênio estão presentes, os humanos e outros organismos eucarióticos tiram vantagem da maior quantidade de energia que eles podem obter usando os produtos da glicólise para completar a respiração aeróbica no mitocôndria.
Os eucariotos que usam oxigênio para otimizar sua produção de energia não sobreviveriam se suas mitocôndrias fossem retiradas. Mas existem eucariotos que não possuem mitocôndrias, chamados de eucariotos amitocondriados. Como não têm mitocôndrias para completar a respiração aeróbica, todos os eucariotos amitocondriados são anaeróbios. O parasita intestinal Giardia lamblia, por exemplo, é anaeróbio e não possui mitocôndrias. Alguns outros amitocondriatos são Glugea plecoglossi, Trichomonas tenax, Cryptosporidium parvum e Entamoeba histolytica. Há alguma dúvida sobre a origem desses organismos: eles perderam as mitocôndrias que uma vez tiveram, ou são descendentes dos primeiros eucariotos de antes da fusão com mitocôndria? Diferentes relações filogenéticas entre amitocondriatas e outros eucariotos foram propostas, mas não há uma única explicação aceita até o momento.