Mitokondriyal DNA, hücre içindeki organeller içinde, mitokondri içinde bulunan küçük DNA halkalarıdır. Mitokondri, hücrenin "güç bitkileri" olarak görev yapar ve organel olarak kendilerine entegre oldukları antik hücrelerle simbiyotik olarak katılan antik bakterilerin torunları olduğuna inanılır. Bütün hayvanlarda bulunan DNA'nın büyük çoğunluğu çekirdekte bulunur ve nükleer DNA olarak bilinir, mitokondriyal DNA ise çekirdeğin dışında bulunan tek DNA'dır.
3 milyardan fazla baz çiftinde yaklaşık 20.000 protein kodlayan gen içeren çekirdekteki DNA'nın aksine, mitokondriyal DNA, 15.000-17.000 baz çiftinde sadece 13 protein kodlayan genden oluşan nispeten küçüktür. Lineer DNA'dan oluşan nükleer DNA'dan farklı olarak mitokondriyal DNA, bakteri içerisinde bulunan DNA gibi, döngü biçiminde bulunur. Mitokondride bulunan genler, mitokondrinin kurulmasına yardımcı olan proteinleri ifade eder, ancak milyarlarca yıllık evrim boyunca, nükleer DNA, mitokondriyal DNA'nın mitokondri yapımında rol oynadığı rolleri çoğalttı.
Mitokondriyal DNA, bir erkek ve bir dişi arasındaki cinsiyete bağlı olarak nesilden nesile rekombinasyona uğrayan nükleer DNA'dan farklı olarak, genetik değişimi büyük ölçüde sınırlayan sadece aynı organelden DNA ile rekombinasyona uğrar. Bu nedenle, genetik değişikliklere neden olan tek faktör, nükleer DNA'da olduğu gibi, mutasyon artı rekombinasyon yerine mutasyondur. Bu, mitokondriyal DNA'yı, farklı insan soyları dahil olmak üzere farklı soyları karşılaştırmak için kullanılabilecek oldukça faydalı bir genetik belirteç haline getirir.
İnsan mitokondriyal DNA'sının analizi, çeşitli insan gruplarının soylarının ve dünyadaki insanların erken göç modellerinin belirlenmesinde çok önemli olduğunu kanıtlamıştır. Bu çalışmalar, Afrika dışı teorisini, insan türünün yaklaşık 250.000 yıl önce Afrika'da kökenine sahip olduğunu iddia eden ve daha sonra dünyaya yayılan teorisini destekledi. Rekabet eden ana teori, dünyadaki farklı insan ırklarının evrimcilerin öncüllerinden bağımsız olarak geliştiğini varsayan çok-ırklı hipotezdir. Mitokondriyal DNA analizinden elde edilen kanıtlar nedeniyle, bu hipotez esasen göz ardı edilmiştir.
