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。1970年Margulis在分析了大量资料的基础上提出了一种设想，认为真核细胞的祖先是一种体积巨大的、不需氧的、具有吞噬能力的细胞，能将吞噬所得的糖类进行酵解取得能量。而线粒体的祖先——原线粒体则是一种革兰氏阴性菌，含有三羧酸循环所需的酶系和电子传递链，故它可利用氧气把糖酵解的产物丙酮酸进一步分解，获得比酵解更多的能量。当这种细菌被原始真核细胞吞噬后，即与宿主细胞间形成互利的共生关系，原始真核细胞利用这种细菌（原线粒体）充分供给能量，而原线粒体从宿主细胞获得更多的原料。

由美国生物学家马古利斯（Lynn Margulis）于1970年出版的《真核细胞的起源》一书中正式提出。她认为，好氧细菌被变形虫状的原始真核生物吞噬后、经过长期共生能成为线粒体，蓝藻被吞噬后经过共生能变成叶绿体，螺旋体被吞噬后经过共生能变成原始鞭毛。

1905年，Konstantin Mereschkowsky最先提出叶绿体是由原先的内共生体形成的这一想法，随后1920年代Ivan Wallin提出了对线粒体的相同想法。随着人们发现它们含有DNA，这些想法被Henry Ris重新提出。

内共生假说被琳·马古利斯所普及。在她1981年的《细胞进化中的共生》中，她认为真核细胞起源于相互作用的个体组成的群落，也包括内共生的螺旋体形成了真核生物的鞭毛和纤毛。后一种想法没有被广泛接受，因为鞭毛缺乏DNA，在结构之外和原核生物也没有明显相似性。根据Margulis和Sagan(1996)，“生命并不是通过战斗，而是通过协作占据整个全球的”，而达尔文关于进化由竞争驱动的想法是不完善的。然而也有人认为内共生更像奴隶制而非互利共生。

有人认为过氧化物酶体可能也具有内共生起源，尽管它们缺乏DNA。 Christian de Duve认为他们也许是最早的内共生体，使得细胞能够抵抗地球大气中越来越多的氧气。然而，现在看来它们可能是“从头合成”的，而非具有共生起源。

这一假说由于证据充分，已被越来越多的人所接受。主要证据如下：

共生

（1）共生是生物界的普遍现象，例如根瘤菌与豆科植物的共生关系，蓝藻或绿藻与真菌共生形成地衣等。有一种草履虫（Paramoeciumbursaria），其体内有小的藻类与之共生，并能进行光合作用；过去说澳洲白蚁消化道内生活着一种所谓混毛虫（Mixotricha paradoxa），实际由两种螺旋体、两种真细菌和一种纤毛虫组成，它们能分泌有关的酶，消化纤维素。特别是近年发现的灰孢藻（Glaucocystis），它本身并无叶绿素，但有许多叶蓝小体（cyanella）生活在体内，进行光合作用制造食物。这种共生关系看来建立不很久，因为叶蓝小体在细胞内还不大固定。灰孢藻的发现是对“内共生假说”的有力支持。

叶绿体

（2）叶绿体和线粒体都有其独特的DNA，可以自行复制，不完全受核DNA的控制。线粒体和叶绿体的DNA同细胞核的DNA有很大差别，但同细菌和蓝藻的DNA却很相似。蓝藻的核糖体RNA（rRNA）不仅可以与蓝藻本身的DNA杂交，而且还可与眼虫叶绿体的DNA杂交，这些都说明它们之间的同源性。

蛋白质合成系统

（3）线粒体和叶绿体都有自己特殊的蛋白质合成系统，不受核的合成系统的控制。原核生物的核糖体由30S和50S两个亚基组成，真核生物的核糖体由40S和60S两个亚基组成。线粒体和叶绿体的核糖体分别与细菌和蓝藻的一致，也是由30S和50S两个亚基组成，这说明细菌和线粒体、蓝藻和叶绿体是同源的。抗生素可以抑制细菌和蓝藻的生长，也可以抑制真核生物中的线粒体和叶绿体的作用，这也说明线粒体与细菌、叶绿体与蓝藻是同源的。

（4）线粒体、叶绿体的内、外膜有显著差异，内、外膜之间充满了液体。研究发现，它们内、外膜的化学成分是不同的。外膜与宿主的膜比较一致，特别是和内质网膜很相似；内膜则分别同细菌和蓝藻的膜相似。

1.内共生过程中,拥有先进的氧化代谢途径的好氧细菌无疑应该占优势,但按内共生假说,好氧细菌反而逐步丧失了独立自主性并将其遗传信息成批地转移到了宿主细胞中,这种观点不符合进化论思想。

2.好氧细菌据估计发生在15亿年以前(甚至更晚一些)，但化石提供的证据说明蓝藻大约在22-27亿年以前就形成了。那么，为什么蓝藻开始共生的时间却远比好氧细菌进行共生的时间迟得多呢?

3.细菌的细胞色素a+a3不能或极缓慢氧化哺乳动物的细胞色素c，反之，哺乳动物细胞色素a+a3也不能作用于细菌的细胞色素c。因此，原核细胞的侵入无助于真核细胞的呼吸作用，起不到彼此互利的共生作用。

4.在叶绿体基因与线粒体基因中发现内含子是惊人的,因为细菌基因中没有发现内含子。这种内含子的来源及其对生物的效应目前没有得到很好的解释。

5.线粒体含有肌动蛋白-肌球蛋白系统,但细菌和蓝藻中没有这种系统,也没有相应的运动能力。

6.内共生假说没有很好解释细胞核的进化。真核生物的C值(基因组大小)比原核生物高约3.5个数量级,如果两个原核细胞通过吞噬进行共生,为何会出现如此巨大的基因组差异?

7.蓝藻可以进行有氧呼吸,为什么植物还需要线粒体?