El origen de las células eucariotas a partir de organismos ancestrales anaerobios (no dependientes del oxígeno), procariotas, probablemente hace cerca de 1,7 mil millones de años, promovió más complejidad y, por tanto, especialización de la estructura celular.
La aparición de los organismos eucariotas, por ejemplo, los seres unicelulares (amebas) y pluricelulares (plantas y animales), constituidos de membrana plasmática, hialoplasma, orgánulos y núcleo individualizado, justifica el desarrollo de pliegues membranosos que se invaginaron formando compartimentos con formas y funciones diferenciadas, además de propiciar protección del material genético envuelto por la envoltura nuclear.
Así, los diversos orgánulos (lisosomas, retículos endoplasmáticos liso y rugoso, peroxisomas, complejo de Golgi, plastos de reserva, plastos de pigmentación y mitocondrias) dinamizaron evolutivamente el metabolismo celular.
Hay teorías que apoyan el mutualismo (teoría simbiótica), asumiendo que los primeros eucariotas heterótrofos eran anaerobios que se alimentaron de arqueobacterias fagocitadas.
Durante la evolución, algunas bacterias primitivas se capacitaron en mayor provecho energético en el proceso respiratorio (se volvieron aerobias), mientras otras pasaron a convertir sustancias inorgánicas en orgánicas, realizando, al principio, gradualmente los procesos de quimiosíntesis, fermentación y posteriormente fotosíntesis (volviéndose autotróficos).
Estas bacterias, engullidas por las simples eucariotas mantienen interacción armoniosa con beneficio mutuo entre las partes. Las bacterias reciben protección y nutrientes, mientras que las eucariotas de estructura rudimentaria pasaron a aprovecharse del proceso aerobio y fotosintético realizado por las bacterias, sugiriendo la existencia de las mitocondrias y cloroplastos en el interior de las células eucariotas actuales.
