В пользу теории симбиогенеза свидетельствует ряд черт сходства митохондрий и пластид с прокариотами. Так, в этих органеллах, как и в клетках прокариот, единственная молекула ДНК (кольцевая), мелкие рибосомы, внутренняя мембрана имеет выросты (кристы, тилакоиды), аналогичные мезосомам бактерий и одиночным тилакоидам сине-зеленых водорослей.
Пластиды и митохондрии обладают частичной генетической автономией, т.е. многие белки "для собственного пользования" кодируются их собственной ДНК, и лишь некоторые кодируются ДНК ядра. Продолжительная эволюция симбиотических отношений вполне могла привести к утрате способности к независимому синтезу или передаче информации, особенно, если эти функции дублировались клеткой-хозяином.
Пластиды и митохондрии способны к самостоятельному размножению, не зависящему от деления клетки. Они размножаются делением надвое, схожим с делением прокариот; веретена деления при этом по образуются.
Некоторые особенности биохимии митохондрий и пластид также свидетельствуют об их возможной близости к прокариотам: сходны нуклеотидные последовательности рРНК; синтез белка подавляется хлорамфениколом; отсутствует чувствительность к действию циклогексимида и т.д.
Наконец, еще одним косвенным доводом в пользу теории симбиогенеза является способность многих прокариот к эндосимбиозу. Известна, например, сине-зеленая водоросль, живущая в клетке простейшего. Существуют и сходные с митохондриями эндосимбионты.
Против симбиотического происхождения органелл эукариотических клеток свидетельствуют различия пигментного состава пластид растений и сине-зеленых водорослей. Митохондрии часто не имеют обычной бактериальной палочковидной формы, а обладают трехмерной разветвленной структурой (в мышцах животных). ДНК органелл существенно отличается от бактериальной ДНК по чувствительности к некоторым мутагенам, ее длина значительно меньше длины бактериальной хромосомы.