Dvomembranski organeli so najkompleksnejši in vsebujejo dednino. Po endosimbiontski teoriji naj bi dvomembranski organeli, tj. mitohondriji in plastidi, izvirali iz nekdaj prostoživečih prokariontskih organizmov, ki jih je matična celica vključila vase. Poleg lastne DNK, ki ima značilnosti prokariontske, imajo tudi membrano, podobno prokariontski, zelo specifično vlogo (zaradi katere naj bi sploh prišlo do vključitve) in nekatere druge strukturne podobnosti z danes živečimi prokarionti. Tudi delijo se s cepitvijo, ločeno od matične celice. Organeli naj bi kasneje z optimizacijo izgubili velik del genskega zapisa in danes samostojno ne morejo več preživeti.
Ob delitvi matične celice se organeli enakomerno porazdelijo v obe hčerinski celici in se delijo naknadno, v fazi celične rasti.