1. 肌肉活檢病理所見具有特征性的形態學改變，常規恒冷冰凍切片,MGT染色可見RRF。早在1960年由Engel首先應用MGT染色發現肌膜下和肌纖維之間呈不規則紅染顆粒狀改變。最近分子生物學研究表明RRF是mt DNA大量重排或線粒體tRNA基因點突變的相應產物。mt DNA大量重排和mt DNA點突變均影響到線粒體蛋白合成。后天因素所致mt基因損傷,如藥物、毒物(AZT、MPTP、3NPA)均可導致RRF出現。RRF是影響線粒體內蛋白質合成的mtDNA受損傷的形態表現,但是并非所有線粒體疾病均為RRF陽性,nDNA缺陷者RRF可以是陰性的,即使在同一病例中RRF的分布也是不均勻的,有的肌束多,有的肌束甚少；年齡亦有變異,老年病人較年輕病人RRF明顯,而且數量多。除MGT染色較好地顯示RRF外,HE切片可見散在單個深染顆粒,粗的異常纖維,其他組化染色,如琥珀酸脫氫酶(SDH)、還原型輔酶Ⅰ、四氮唑還原酶(NADH-Tr)均可見陽性RRF。有時COX反應減低。PAS(+)、油紅O(+)等見于線粒體肌病合并糖原沉積病或脂質沉積病等。電鏡觀察可見,在肌膜下線粒體異常增多，并可見晶格狀結構形態異常的線粒體包涵體,更具診斷意義。
2. 腦部病理改變:線粒體疾病的特點是綜合征多、臨床表現變異性大,這些綜合征與腦損害相關性明顯。有關腦病理的研究較肌活檢研究少,僅就腦病理所見歸納為如下4型:
(1) 腦組織廣泛受累,可伴有小頭畸形和腦室擴大,常見于尿素循環異常和伴有先天性乳酸中毒和脂肪酸代謝的某些酶缺陷等。病理所見先天性胼胝體發育不良,橄欖核異位和基底節囊性損害。特別多見于有丙酮酸脫氫酶E-A亞基缺陷的嬰兒；
(2) 以大腦皮層灰質損害為主,多累及半球后部顳頂枕葉,以MELAS為多見,其病理特點為皮層多灶性損害。可見神經細胞減少脫失,星形細胞增生和微小血管增多。同時累及皮層下白質可見神經纖維稀疏,軸索髓鞘壞變,有的神經細胞病變以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ層為重,呈層性壞變,為Alpers病病理所見特點,在MELAS 亦較常見。此種病變改變具有血管性特點,又非按解剖血管血供分布,說明代謝性酶缺失造成此種雙重損害的病理基礎；
(3) 腦深部灰質核團對稱性損害為主,見于Leigh病,病理可見基底節、丘腦、腦干和小腦頂核神經細胞減少脫失,星形細胞增生和微小血管增多,相應區可見神經纖維減少稀疏。此種蒼白球、殼核、尾核對稱性病理損害構成MRI特征性表現；
(4) 海綿狀腦病病理改變伴以神經纖維網區的神經纖維減少、稀疏,是腦能量代謝缺陷的組織病理反應。此種病理改變見于中央深部白質(半卵圓中心),多見于KSS病例。有時Menke病亦可見到白質病變。此外,腦內鈣質沉積于底節、蒼白球,以MELAS和KSS常見。