线粒体还参与细胞凋亡过程，其功能的异常能使肿瘤细胞获得较强的抗凋亡能力。传统的观念认为线粒体是为细胞提供能量的细胞器，但也是调控凋亡通路的细胞器。细胞压力刺激能导致线粒体外膜通透性改变，线粒体膜释放凋亡信号相关的蛋白质，如细胞色素C、凋亡诱导因子和核内激酶G等。细胞命运由位于线粒体的凋亡相关蛋白决定。许多肿瘤呈现Bcl－2蛋白家族异常表达，这产生了有缺陷的凋亡信号。研究发现，突变线粒体直接影响肿瘤的发生，其机制可能是突变线粒体的抗凋亡作用。线粒体显然是凋亡的重要始作俑者，通过调节caspase的释放调控凋亡。新近研究发现，线粒体鞘脂类代谢通过激活Bak和Bax促进细胞凋亡。这提示我们，抑制肿瘤相关的线粒体代谢改变或刺激线粒体膜通透性进而激活肿瘤细胞凋亡是一种有希望的治疗方法。