以前认为细胞核是凋亡效应的主要目标，现在发现，细胞凋亡有细胞核和细胞质两条途径，细胞凋亡时细胞器也可发生变化，表现为溶酶体增多内质网和线粒体增殖并且区域化以及线粒体内膜磷脂减少。特别明显的是，线粒体发生一系列与细胞凋亡密切相关的变化：①细胞凋亡时，线粒体呼吸链受到损害，使细胞生成ATP减少，导致细胞死亡。②线粒体是细胞活性氧（reactive oxygen species，ROS）的主要来源之一，ROS是细胞凋亡的信使分子和效应分子，凋亡刺激使线粒体生成的ROS增多，促使细胞凋亡。③多种凋亡诱导因子可以使细胞线粒体膜电位（mitochondrial membrane potential）降低。线粒体正常膜电位是线粒体发挥其功能所必需的，线粒体的膜电位受损势必影响其功能，导致细胞凋亡。④凋亡诱导因子使线粒体通透性转运（permeability transition，PT）孔，即线粒体膜上的巨型通道（megachannel）开放，线粒体膜的通透性增加到可以通过相对分子质量小于1500的大分子物质，线粒体膜两侧的离子可以自由分布。

线粒体膜电位的迅速下降和电子传递与呼吸链解偶联，将造成细胞凋亡。Zamzami证实了PT改变是细胞凋亡早期的决定性因素。Kroemer认为，凋亡因子使线粒体发生PT改变，造成线粒体膜电位和生物合成破坏，细胞的能量代谢受损，氧化呼吸链解偶联，线粒体内Ca²⁺释放，细胞内ROS增多，谷胱甘肽减少，从而激活核酸内切酶、需钙蛋白酶，使细胞内Ca²⁺分布改变，细胞发生凋亡。⑤线粒体释放各种凋亡相关蛋白质，如细胞色素c和SMAC/DIABLO，通过不同的激活途径参与细胞凋亡的发生。可见，线粒体是细胞凋亡的执行者，在细胞凋亡效应中发挥着关键性作用。