遺傳型中包括核DNA(nDNA)缺陷和線粒體DNA(mt DNA)缺陷: (1) nDNA缺陷：底物傳遞障礙,即肉毒堿原發或繼發缺失,脂質沉積病；底物利用障礙，如脂肪酸和丙酮酸代謝異常；三羧酸循環障礙，如延胡索酸酶缺乏、二氫脂脫氫酶缺乏、琥珀酸脫氫酶缺乏以及烏頭酸酶聯合缺陷等；氧化磷酸化偶聯障礙，如Luft綜合征；呼吸鏈缺陷復雜多樣，最突出的臨床表現為肢體無力和腦源性功能障礙；蛋白引入異常；基因組間信號系統缺陷等。(2) mt DNA缺陷：mt DNA散發和大量重排，如KSS和Pearson綜合征；mt DNA傳遞大量重排，如糖尿病并發耳聾；mt DNA結構基因點突變，如Laber遺傳性視神經病(LHON)和共濟失調網膜色素變性神經病（NARP)；影響mt DNA合成的基因點突變,如MELAS、MERRF、線粒體心肌病以及糖尿病并發神經性聾等。
后天獲得型包括感染引起Reyc綜合征；毒物如1-甲基-4-苯基-1、2、3、6-四氫吡啶(MPTP)和3NPA，還有抗艾滋病藥物疊氧胸苷(AZT)以及老齡化等所致異常。
從遺傳學角度看,由于線粒體基因組只控制線粒體中的一部分蛋白質合成,而大多數的蛋白質合成由nDNA調控。因此線粒體疾病遺傳類型有兩種遺傳方式：即孟德爾遺傳和母系遺傳：
1. 母系遺傳方式: mtDNA嚴密的母系遺傳方式決定突變垂直傳代的類型。由母親傳給男女后代。只有女兒可繼續傳給下代。表面上看類似于孟德爾的常顯及伴性(X)連鎖類型。母系遺傳基因缺陷表達與否取決于“復制分離”和“閾值效應”兩方面，這一特征已在LHON、MERRF、MELAS、NARP和糖尿病并發耳聾等得到證實。
2. 孟德爾遺傳方式: 常染色體隱性遺傳線粒體肌病的多數情況仍為經典的孟德爾遺傳類型，包括脂肪酸氧化過程已知的缺陷、丙酮酸羧化酶缺失、三羧酸循環障礙以及呼吸鏈的一些缺陷等。常染色體顯性遺傳: mtDNA多發性缺失為常顯遺傳特點,病人多在30歲發病,其中有些是由于nDNA缺陷改變了線粒體基因組的生物整合而發生mt DNA多發性缺失。性(X)連鎖遺傳: 典型的性連鎖遺傳是鳥苷酸甲酰酸酶缺陷(OTC),多數病例為丙酮酸脫氫酶缺陷。男性病人在初生期發生致命性的高氨酸血癥。半合子女性病人可以無臨床癥狀或發生陣發性高氨酸血癥昏迷。
線粒體腦肌病的主要臨床類型及其基因異常:
1. 線粒體腦肌病伴高乳酸血癥和卒中樣發作（Mitochondrial Encephalomyopathy, Lactic Acidosis and Stroke-like Episodes，MELAS）：近 80%病例為 A3243G（線粒體編碼亮氨酸 tRNA）突變, 15%由 T3271C 和A3252G 突變引起,不斷發現新的突變與其發病相關；
2. 肌陣攣性癲癇伴破碎紅纖維：（Myoclonic Epilepsy and Ragged-Red Fiber Disease, MERRF): 80%～90%是賴氨酸tRNAA8344G突變,少數與 T8356C 突變相關；
3. Kearns-Sayre綜合征（KSS）和慢性進行性眼外肌麻痹（Chronic Progressive External Ophthalmoplegia，CPEO): 最常見的原因是 mtDNA 8468 和 13446 位之間的 4977bp 的缺失，研究已經發現多種缺失與其發病相關；
4. Leigh綜合征：最常見的為 ATP 酶的亞單位 6 的編碼基因上 T8993G、T8993C 和 T9176C等3個點突變；
5. 線粒體肌病：與mtDNA 點突變及缺失重排均有關；
6. 其他：線粒體神經胃腸腦肌病，Leber遺傳性視神經病等。其中，A3243G、A8344G、T8993G和T8993C 突變是研究較多的mtDNA突變。