人線粒體DNA（mtDNA），共包含37個基因，這37個基因中有22個編碼轉移核糖核酸（tRNA）、2個編碼核糖體核糖核酸（12S和16S rRNA)，13個編碼多肽。
對于可疑線粒體病的患者來說，理想的遺傳學診斷方法是發現導致線粒體結構和功能缺陷的相關基因突變。這些基因突變可能在mtDNA上，也可能發生在核基因上，線粒體的遺傳方式可能為常染色體隱形遺傳、X-連鎖遺傳、母系遺傳，有些還是新突變。由于線粒體病涉及基因眾多，目前臨床只能選擇少數常見的線粒體基因位點進行突變和缺失篩查，陽性率很低，大多數患者難以獲得準確的病因診斷。
線粒體基因組的分析測定需要對37個基因進行分析，由于線粒體基因屬于母系遺傳，母親的產前線粒體基因組分析對于生育健康寶寶具有重大意義。