Os genomas atuais de mitocôndrias e de cloroplastos mantiveram algumas das características dos seus procariotas ancestrais e também adquiriram novos atributos durante a sua evolução dentro das células eucarióticas. Como os genomas procarióticos, os genomas mitocondriais e de cloroplastos não se ligam a proteínas semelhantes a histonas nem apresentam empacotamentos complexos em estruturas semelhantes a cromossomas, como observado em eucariotas. Ao contrário das divisões celulares mitóticas observadas nas células eucarióticas, as mitocôndrias e os cloroplastos são submetidos a fissão binária e separam igualmente o seu DNA nos organelos resultantes, como observado nos procariotas. Além disso, os ribossomas nas mitocôndrias e cloroplastos são sensíveis a antibióticos antibacterianos.
Os genomas procarióticos têm milhões de pares de bases e milhares de genes; os genomas mitocondriais e de cloroplastos, excepto em algumas plantas, são muito menores com números de pares de bases na ordem dos milhares com algumas centenas de genes. Essa diferença no tamanho do genoma ocorreu porque, durante a evolução, partes significativas dos genomas primitivos mitocondriais e de cloroplastos foram exportadas para o núcleo. Esta exportação de genes tornou-os dependentes do genoma nuclear para o fornecimento de algumas das proteínas necessárias à sua biogénese.
Os diferentes caminhos evolutivos tomados por animais e plantas resultaram em diferenças significativas entre genomas de mitocôndrias animais e mitocôndrias e cloroplastos de plantas. Os genomas mitocondriais animais são menores que os genomas vegetais mitocondriais e de cloroplastos. Além disso, semelhante à maioria dos genomas procarióticos, os genomas mitocondriais animais não carregam quaisquer intrões. No entanto, estão presentes intrões nos genomas das mitocôndrias e cloroplastos em plantas. Comparados aos genomas mitocondriais, os genomas de cloroplastos apresentam menor variação de tamanho e estrutura e também contêm mais genes. Por exemplo, o número de genes presentes no genoma de cloroplastos de Arabidopsis thaliana é quase o dobro dos genes presentes no seu genoma mitocondrial. Além disso, os genomas de cloroplastos são mais semelhantes aos seus homólogos procarióticos do que o genoma mitocondrial, uma vez que são semelhantes nas suas sequências de regulação e na disposição de muitos conjuntos de genes.
