内共生学说和细胞内分化学说许多科学家认为，线粒体和叶绿体分别起源于原始真核细胞内共生的细菌和蓝藻。线粒体来源于细菌，即细菌被真核生物吞噬后，在长期共生过程中，通过演变，形成了线粒体。叶绿体来源于蓝藻，被原始真核细胞摄入胞内，在共生关系中，形成了叶绿体。关于线粒体和叶绿体内共生起源学说的主要论据归纳如下：
1.线粒体和叶绿体的基因组在大小、形态和结构方面与细菌相似。都是由单个裸露的环状双链DNA分子构成，不含有5－甲基胞嘧啶，而且不与组蛋白结合，能进行独立的复制和转录。有证据表明，线粒体和叶绿体具有自身的DNA聚合酶及RNA聚合酶，能独立复制和转录自己特有的RNA，其mRNA的、rRNA的沉降系数均与细菌的类似。
2.线粒体和叶绿体有自己完整的蛋白质合成系统，能独立合成蛋白质。蛋白质合成机制有很多类似细菌之处，而不同于真核生物。
3.线粒体和叶绿体的两层被膜有不同的进化来源，外膜与内膜的结构和成分差异很大。外膜与细胞的内膜系统相似，可与内质网和高尔基体膜沟通；内膜与细菌质膜相似，内膜折叠，分别形成细菌的间体、线粒体的嵴和叶绿体的类囊体。
4.线粒体和叶绿体能以分裂的方式进行繁殖。这与细菌的繁殖方式相同。
5.线粒体和叶绿体能在异源细胞内长期生存。
6.线粒体的祖先很可能来自反硝化副球菌或紫色硫光合细菌。其主要依据是这两种菌的磷脂成分、呼吸类型和细胞色素c的初级结构与线粒体的更接近。
7.发现介于细胞内共生蓝藻与叶绿体之间的结构——蓝小体，其特征在很多方面可作为原始蓝藻向叶绿体转化的佐证。