含很多称作“孔道蛋白”的整合蛋白，具有相对大的内部通道（大约2-3纳米，可允许离子和小分子通过。而大分子不能通过外膜。内膜不含孔道蛋白，通透性很弱，几乎所有离子和分子都需要特殊的跨膜转运蛋白来进出基质。
介绍线粒体外膜光滑，内膜向内腔折叠成嵴。
在线粒体外膜，其包围整个细胞器，为60至75埃（）厚。它有一个蛋白对磷脂比率类似于真核细胞膜的（约1：1（重量））。它含有大量的整合膜蛋白称为孔蛋白。这些孔蛋白形成通道，允许5000分子道尔顿或更小的分子量，以自由地扩散从所述膜的一侧到另一。更大的蛋白质可以进入线粒体，如果在它们的信令序列的N-末端结合的大多亚基蛋白质称为转位的外膜，然后的积极移动它们穿过膜。线粒体促蛋白是通过专门的易位复合物导入。外膜还含有酶参与作为伸长各种活动脂肪酸，氧化的肾上腺素，以及降解的色氨酸。这些酶包括单胺氧化酶，鱼藤酮-insensitive NADH-细胞色素C还原酶，犬尿氨酸羟化酶和脂肪酸辅酶A连接酶。外膜的破裂允许在间空间泄漏到胞质溶胶，导致某些细胞死亡的蛋白质。的线粒体外膜可与内质网（ER）膜相关联，在一个结构称为MAM（线粒体相关ER-膜）。这是在ER-线粒体钙信号传导的重要，并参与内质网和线粒体之间脂质的转移。外外膜有小（直径：60?）命名为子单元帕森斯的颗粒。
功能线粒体外膜不仅参与膜中磷脂的合成——因为它还包含参与诸如脂肪酸链延伸、肾上腺素氧化以及色氨酸生物降解等生化反应的酶类，线粒体外膜也能同时对那些将在线粒体基质中进行彻底氧化的物质先行初步分解。有研究发现，线粒体外膜中的分选和组装机器（sorting and assembly machinery，缩写为“SAM”）在外膜蛋白质的整合与组装中扮演了不可或缺的角色。
通透性线粒体外膜中含有众多称为“孔蛋白”的整合蛋白，这些蛋白质拥有相对较大的内部通道（宽约2-3nm），这使线粒体外膜对分子量小于5000Da的分子完全通透。三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，简称“ATP”）、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，简称“NAD”）、辅酶A（coenzyme A，简称“CoA”）等分子的分子量都小于1000Da，所以这些分子都能自由进出线粒体外膜。分子量大于上述限制的分子则需通过线粒体膜转运蛋白的主动运输来进出线粒体。细胞凋亡过程中，线粒体外膜对细胞色素c等多种存在于线粒体膜间间隙中的蛋白质的通透性增加。由于线粒体外膜的通透性非常高，所以线粒体膜间间隙的环境与细胞质基质的十分接近。
线粒体内膜包含具有五种类型的功能的蛋白质：
1.那些执行的氧化还原反应中氧化磷酸化
2.ATP合酶，其产生的ATP在基质
3.特定转运蛋白调节代谢物通道流入和流出矩阵
4.蛋白进口机器
5.线粒体融合和裂变蛋白
它包含超过151不同的多肽，并具有极高的蛋白质对磷脂比率（超过3：1（重量），这是约1蛋白15磷脂）。内膜是家庭中线粒体的总蛋白质约1/5。此外，所述内膜是丰富的一个不寻常的磷脂，心磷脂。此磷脂最初发现于牛心，1942年，通常是线粒体和细菌质膜的特征。心磷脂包含四个脂肪酸，而不是两个，且可有助于使所述内膜不可渗透的。与外膜，内层膜不含有孔蛋白，并且是高度不可渗透的所有分子。几乎所有的离子和分子需要特殊膜转运进入或退出的矩阵。蛋白质经由摆渡到基质内的膜转位（TIM）配合物或经由Oxa1。此外，还有穿过内膜的膜电位，由的酶的作用形成的电子传递链。
功能线粒体内膜含有比外膜更多的蛋白质，所以承担着更复杂的生化反应。存在于线粒体内膜中的蛋白质主要可分为如下几类，它们分别负责不同的生理过程：
1.运输酶与载体蛋白：运输酶可进行各种代谢产物和中间产物的运输。此外，内膜中还有一些特异性载体蛋白，运输钙离子、磷酸、谷氨酸、鸟氨酸及核苷酸等。
2.生物大分子合成酶类：完成某些重要生物合成的酶。线粒体是线粒体DNA和线粒体RNA等生物大分子合成的场所。
3.参与电子传递和ATP合成的酶类：这类酶是线粒体内膜的主要成分，参与电子传递和三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，简称“ATP”）的合成。
控制线粒体分裂与融合的蛋白质。
通透性线粒体内膜不含有孔蛋白，所以通透性较线粒体外膜低。此外，线粒体内膜中的心磷脂与离子的不可渗透性有关。相对于外膜而言，内膜对于大多数的核苷、糖类以及较小的离子等都是不通透的，这些物质进出线粒体内膜需要利用各自对应的特异性载体。线粒体内膜对大多数离子的低渗透性为其建立质子梯度、驱动ATP合成并行驶其他正常功能提供了保证。
线粒体相关ER膜（MAM）]是日益认识到在细胞生理学和其关键作用的另一个结构元件的动态平衡。一度被认为是在细胞分离技术的技术障碍，这往往出现在线粒体分数涉嫌ER囊泡的污染物已经被重新确定为从MAM-线粒体和ER之间的接口派生的膜结构。这之间的物理耦合2细胞器此前在电子显微照片中观察到，并且被探测用荧光显微镜。这样的研究估计，在MAM，其可包括最高达20%的线粒体外膜的，内质网和线粒体被分开仅10-25纳米和由蛋白质束缚络合物保持在一起。
从亚细胞分离纯化MAM已经表明在参与磷脂交换酶被富集，除了与钙有关的信道信令。这些为MAM在细胞脂质存储的调节突出作用的提示和信号转导已被证实，对线粒体相关细胞现象显著影响，如下面所讨论。不仅具有将MAM提供洞察机械基础，例如生理过程如内在凋亡和钙信号的传播底层，但它也有利于线粒体的一个更精确的图。虽然常常被看作是静态的，孤立的“大力士”，通过一种古老的共生事件被劫持的细胞代谢，对MAM的演变强调到线粒体已被纳入整体的细胞生理学，与亲密的物理和功能耦合内膜系统的程度。
