Το μιτοχονδριακό DNA είναι μικρές θηλιές DNA που βρίσκονται μέσα στα οργανίδια του κυττάρου, τα μιτοχόνδρια. Τα μιτοχόνδρια χρησιμεύουν ως «ηλεκτρονικοί σταθμοί» του κυττάρου και πιστεύεται ότι είναι απόγονοι αρχαίων βακτηρίων που συμμετείχαν τόσο συμβιωτικά με τα αρχαία κύτταρα που ενσωματώθηκαν σε αυτά ως οργανίδια. Η συντριπτική πλειοψηφία του DNA σε όλα τα ζώα βρίσκεται στον πυρήνα και είναι γνωστό ως πυρηνικό DNA, ενώ το μιτοχονδριακό DNA είναι το μόνο DNA που βρίσκεται έξω από τον πυρήνα.
Σε αντίθεση με το DNA στον πυρήνα, που περιέχει περίπου 20,000 γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεΐνες σε περισσότερα από 3 δισεκατομμύρια ζεύγη βάσεων, το μιτοχονδριακό DNA είναι σχετικά μικρό, αποτελούμενο από μόνο 13 γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεΐνες σε 15,000-17,000 ζεύγη βάσεων. Σε αντίθεση με το πυρηνικό DNA, το οποίο αποτελείται από γραμμικό DNA, το μιτοχονδριακό DNA βρίσκεται σε μορφή βρόχου, ακριβώς όπως το DNA που βρίσκεται στα βακτήρια. Τα γονίδια στα μιτοχόνδρια εκφράζουν πρωτεΐνες που βοηθούν στην κατασκευή των μιτοχονδρίων, αν και μετά από δισεκατομμύρια χρόνια εξέλιξης, το πυρηνικό DNA έχει αναλάβει μεγάλο μέρος του ρόλου του μιτοχονδριακού DNA στην κατασκευή των μιτοχονδρίων.
Σε αντίθεση με το πυρηνικό DNA, το οποίο υφίσταται ανασυνδυασμό από γενιά σε γενιά λόγω του φύλου μεταξύ ενός αρσενικού και ενός θηλυκού, το μιτοχονδριακό DNA υφίσταται ανασυνδυασμό μόνο με το DNA από το ίδιο οργανίδιο, περιορίζοντας σημαντικά τη γενετική αλλαγή. Επομένως, ο μόνος παράγοντας που εισάγει γενετικές αλλαγές είναι η μετάλλαξη, παρά η μετάλλαξη συν ανασυνδυασμός, όπως συμβαίνει με το πυρηνικό DNA. Αυτό μετατρέπει το μιτοχονδριακό DNA σε έναν εξαιρετικά χρήσιμο γενετικό δείκτη που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σύγκριση διαφορετικών σειρών, συμπεριλαμβανομένων διαφορετικών ανθρώπινων γενεαλογιών.
Η ανάλυση του ανθρώπινου μιτοχονδριακού DNA έχει αποδειχθεί κρίσιμη για τον προσδιορισμό της καταγωγής διαφόρων ανθρώπινων ομάδων και των πρώιμων προτύπων μετανάστευσης των ανθρώπων σε όλο τον κόσμο. Αυτές οι μελέτες έχουν υποστηρίξει τη θεωρία εκτός Αφρικής, τη θεωρία που υποστηρίζει ότι το ανθρώπινο είδος είχε την καταγωγή του στην Αφρική πριν από περίπου 250,000 χρόνια και στη συνέχεια εξαπλώθηκε σε όλο τον κόσμο. Η κύρια ανταγωνιστική θεωρία είναι η πολυπεριφερειακή υπόθεση, η οποία υποθέτει ότι διαφορετικές ανθρώπινες φυλές σε όλο τον κόσμο εξελίχθηκαν ανεξάρτητα από τους πρόδρομους ανθρωποειδείς. Λόγω των στοιχείων από την ανάλυση μιτοχονδριακού DNA, αυτή η υπόθεση έχει ουσιαστικά αποκλειστεί.