En la reproducció sexual, els mitocondris normalment són heretats exclusivament de la mare; els mitocondris en en l'esperma dels mamífers solen ser destruits per l'òvul després de la fecundació. A més, la majoria de mitocondris estan presents a la base de la cua de l'esperma, que s'utilitza per impulsar les cèl·lules espermàtiques; de vegades la cua es perd durant la fecundació. El 1999 es va publicar que els mitocondris espermàtics paterns (que contenen ADNmt) estan marcats amb [[ubiquitina]] per seleccionar-les per destrucció posterior a l'interior de l'embrió.<ref>{{ref-publicació |cognom=Sutovsky |nom=Peter |títol=Ubiquitin tag for sperm mitochondria |publicació=Nature |data=25 novembre 1999 |pàgines=371–372 |volum=402 |exemplar=6760 |doi=10.1038/46466 |coautors=Moreno, Ricardo D.; Ramalho-Santos, João; Dominko, Tanja; Simerly, Calvin; Schatten, Gerald}}</ref> Algunes tècniques de fertilització in vitro, especialment injecció d'un espermatozoide en un oòcit, poden interferir aquest procés.
El fet que la transmissió de l'ADN mitocondrial sigui mitjançant herència materna permet que els investigadors [[genealogia genètica|genealògics]] puguin rastrejar el llinatge matern molt lluny en el temps. (el [[cromosoma Y]], heredatheretat per via paterna, s'utilitza de forma anàloga per determinar la història patrilineal). Això s'acostuma a fer en l'ADN mitocondrial humà mitjançant la seqüenciació de les regions de control hipervariable (HVR1 o HVR2), i de vegades la molècula completa de l'ADN mitocondrial, en una prova genealògica d'ADN.<ref>{{ref-llibre |cognom=Aulicino |nom=Emily D. |títol=Genetic genealogy: the basics and beyond |pàgines=24-25 |lloc=Bloomington, IN |editorial=Authorhouse |any=2014 |isbn=978-1-4918-4090-0 |url=https://books.google.es/books?id=m2VxAgAAQBAJ |llengua=anglès}}</ref> La regió HVR1, per exemple, consta d'uns 440 parells de bases. Aquests 440 parells de bases es comparen amb les regions de control d'altres individus (ja siguin persones específiques o subjectes en una base de dades) per determinar el llinatge matern. Molt sovint, la comparació es fa amb la [[ Seqüència de Referència de Cambridge|Seqüència de referència de Cambridge revisada]] (rCRS). Vilà ''et al.'' han publicat estudis seguint el descens matrilineal de gossos domèstics a llops.<ref>{{ref-publicació |cognom=Vilà |nom=Carles |títol=Multiple and Ancient Origins of the Domestic Dog |publicació=Science |data=13 juny 1997 |pàgines=1687–1689 |volum=276 |exemplar=5319 |doi=10.1126/science.276.5319.1687}}</ref> El concepte d'[[Eva mitocondrial]] es basa en el mateix tipus d'anàlisi, tractant de descobrir l'origen de la humanitat seguint el llinatge en el temps.
L'ADNmt és molt conservat, i les seva taxa de mutació relativament lenta (en comparació amb altres regions d'ADN com els [[microsatèl·lit|microsatèl·lits]]) fan que sigui útil per a estudiar les relacions evolutius -filoogènia[[filogènia]]- d'organismes. Els biòlegs poden determinar i comparar les seqüències d'ADNmt entre diferents espècies i utilitzar les comparacions per construir un arbre evolutiu per a les espècies examinades. Tanmateix, a causa de les mutacions lentes que experimenta, sovint és difícil distingir entre espècies molt properes, per la qual cosa cal utilitzar altres mètodes d'anàlisi.
