Mitokondriaalisessa periytymisessä tauti siirtyy jälkeläisille mitokondrioiden välityksellä. Siittiöiden mitokondriot tuhoutuvat usein hedelmöittymis- ja solun jakautumisvaiheessa ja tämän vuoksi mitokondriot periytyvät lähes pelkästään äidin kautta. Niinpä sairaan äidin kaikki lapset perivät taudin, mutta sairaan isän lapsille tauti ei periydy.

Taudin vaikeusaste saattaa vaihdella huomattavastikin: joku lapsista voi olla lähes oireeton ja toisella tauti voi olla paljon vakavampi kuin sairaalla äidillä. Tälle periytymistavalle on tyypillistä myös uudet mutaatiot eli osalla potilaista tauti on syntynyt mitokondriossa tapahtuneen uuden mutaation seurauksena munasolun muodostuessa.