Teoria endosymbiozy zakłada, że wczesny przodek komórek eukariotycznych wchłonął komórkę prokariotyczną, co doprowadziło do powstania mitochondriów i chloroplastów. Teoria endosymbiozy ma kilka dowodów na poparcie, takich jak obecność kolistego DNA, rybosomy podobne do prokariotycznych oraz fakt, że te organella posiadają dwie błony. Endosymbioza tłumaczy również, dlaczego nowe mitochondria i plastydy powstają wyłącznie przez podział tych już istniejących.

Mitochondria to owalne lub kuliste struktury występujące w większości komórek eukariotycznych. Budowa mitochondrium obejmuje zewnętrzną gładką błonę przepuszczalną dla jonów i wielu cząsteczek, przestrzeń międzybłonową, oraz wewnętrzną pofałdowaną błonę tworzącą grzebienie mitochondrialne. Najważniejsze funkcje mitochondrium to uwalnianie energii w procesie oddychania tlenowego i gromadzenie jej w formie ATP. Im bardziej aktywna metabolicznie jest komórka, tym więcej mitochondriów zawiera.

Chloroplasty, w przeciwieństwie do mitochondriów, występują tylko u roślin i niektórych protistów. Budowa chloroplastu jest bardziej złożona - zawiera stromę (koloidu substancję), tylakoidy (woreczki ułożone w stosy), które zawierają barwniki do fotosyntezy. Funkcje chloroplastu koncentrują się na przeprowadzaniu fotosyntezy, podczas gdy mitochondria odpowiadają za oddychanie komórkowe. Obie organelle są półautonomiczne, mają własne DNA i rybosomy, ale chloroplasty dodatkowo przekształcają energię świetlną w chemiczną.

Endosymbiotyczne pochodzenie mitochondriów i chloroplastów potwierdzają liczne cechy tych organelli. Posiadają one własne koliste DNA podobne do bakteryjnego, rybosomy przypominające prokariotyczne oraz otoczone są dwiema błonami, z których zewnętrzna pochodzi prawdopodobnie od komórki gospodarza. Mitochondria i chloroplasty są półautonomicznymi organellami - mają własne DNA i rybosomy, dzięki czemu syntetyzują niektóre potrzebne białka, choć większość ich białek jest kodowana przez geny jądrowe. Te cechy stanowią mocne argumenty za ich bakteryjnym pochodzeniem.