Геномы органелл представляют собой кольцевую двухцепочечную молекулу ДНК. Исключение составляют инфузории, у которых митохондриальная ДНК представлена линейной молекулой. Структура генома органелл скорее напоминает структуру бактериального генома, чем хроматин эукариот.
В организации хлоропластной ДНК обнаружены гистоноподобные белки, однако по аминокислотному составу они отличаются от типичных гистонов высших растений и более сходны с ДНК-связывающими HU-белками клеток E. coli и гистоноподобными белками цианобактерий. Возможно, что гистоноподобные белки хлоропластных нуклеоидов являются эволюционными предшественниками гистонов эукариотических клеток, однако нуклеосомы в хлоропластной ДНК так же, как и в ДНК митохондрий, отсутствуют. Часть белков, необходимых для функционирования этих органелл, кодируются их собственной ДНК и синтезируются на рибосомах внутри органеллы, тогда как остальные белки кодируются ядерной ДНК, синтезируются рибосомами цитоплазмы и поступают в органеллы благодаря их лидерным последовательностям. Каждый из мембранных комплексов электрон-транспортной цепи, а также АТФ-синтетаза, имеют смешанное кодирование: одни субъединицы синтезируются внутри органеллы, а другие приходят из цитоплазмы. Сборка таких комплексов происходит затем при участии специальных вспомогательных белков чаперонов (от англ. chaperon).
Транспорт белков между цитоплазмой и органеллами идет только в одном направлении: определенные белки "импортируются" митохондриями и хлоропластами, но не известно ни одного белка, который бы эти органеллы "экспортировали". Между органеллами и остальной клеткой не происходит также обмена молекулами РНК и ДНК. Функционирование двух генетических систем эукариотической клетки (органелльной и ядерной) тесно координированы в процессе построения органеллы с помощью не известных пока механизмов обратной связи.
Хлоропластная ДНК так же, как и в бактериальной клетке, находится в составе компактных структур нуклеоидов. Хлоропласт содержит обычно несколько нуклеоидов и в каждом нуклеоиде имеется обычно несколько копий хлоропластной ДНК. Хлоропласты высших растений содержат в среднем 3 - 8710-15 г ДНК на 1 пластиду. У водорослей содержание ДНК колеблется в более широких пределах - 4 - 17710-15 г/хлоропласт. Геном состоит из нескольких копий кольцевой двухцепочечной ДНК, размеры которой варьируют в зависимости от вида у высших растений в пределах 120 - 190 тыс. п.н. (контурная длина - 40 - 46 мкм), а у водоростей от 86 тыс. п.н. (27.3 мкм) у рода Codium до 600 тыс. п.н. (62 мкм) у родов Acetobularia и Chlamidomonas. Хлоропластный геном довольно консервативен в эволюционном отношении, и разница в размерах хлоропластной ДНК определяется, как правило, числом дуплицированных генов. По мере развития хлоропласта увеличивается количество нуклеоидов в пластидах и кол-во хлоропластной ДНК на хлоропласт. Число и форма нуклеоидов зависят также от интенсивности и спектрального состава света.
У всех высших растений хлоропластная ДНК содержит 37.8 + 1% (Г+Ц), а плавучая плотность в CsCl равна 1.7 г/см3, что близко к параметрам ядерной ДНК. Однако ядерная ДНК растений всегда содержит 5-метилцитозин, тогда как в хлоропластной ДНК это модифицированное основание отсутствует. Необычность хлоропластной ДНК проявляется также в том, что она содержит удаленные друг от друга встроенные рибонуклеотиды: обычно 9 в одной цепи кольцевой молекулы и 10 - в другой. Митохондриальные ДНК животных тоже содержат рибонуклеотиды. У разных растений, за редким исключением, структура генома примерно одинакова. Она состоит из большого и малого однокопийных участков, разделенных инвертированными повторами, которые содержат гены хлоропластных рРНК. В некоторых хлоропластных генах обнаружены интроны, однако возможно, что это остатки каких-то мобильных генетических элементов. Для некоторых растений, например, печеночного мха Marchantia polymorpha, риса и табака была определена полная нуклеотидная последовательность хлоропластной ДНК. Типичный для покрытосемянных растений набор генов хлоропластной ДНК табака включает 4 гена рРНК, 30 генов тРНК и 79 генов, кодирующих белки.
В то время как геном хлоропластов примерно одинаков по величине у всех организмов, митохондриальные геномы у растений намного больше, чем у животных. В митохондриях животных геном представлен одной кольцевой молекулой ДНК длиной 16.2 - 18.4 тыс. п.н., представленной 5 - 10 копиями, а у растений геном в 30 - 100 раз больше и составлен из нескольких, вероятно, слегка различных кольцевых ДНК, каждая из которых представлена несколькими копиями. Большие размеры (` 84 тыс. п.н.) митохондриальной ДНК имеют дрожжи, но оказалось, что у них значительная часть ДНК не выполняет кодирующей функции, причем длинные некодирующие области включены внутрь некоторых генов, т.е. представляют сбой интроны.
Митохондриальная ДНК дрожжей содержит 2 гена рРНК, примерно 30 генов тРНК и 8 генов, кодирующих белки. Нуклеотидные последовательности ДНК митохондрий человека, мыши и коровы были полностью определены. Геном митохондрий позвоночных мал, потому что имеет чрезвычайно компактную структуру генов, в которых нет интронов. Например, в кодировании 2 генов рРНК, 22 генов тРНК и 13 генов, кодирующих белки, задействована почти вся нуклеотидная последовательность ДНК из митохондрий человека. У печіночного мха Marchantia polymorpha, как , вероятно, и у других растений в митохондриальной ДНК содержится больше генов: 3 гена рРНК, 27 генов тРНК и примерно 60 генов, кодирующих белки.