线粒体基质是线粒体中由线粒体内膜包裹的内部空间，其中充满无定形液体，含有参与三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸降解等生化反应的酶类。其中，苹果酸脱氢酶是线粒体基质的标志酶。线粒体基质中的某些酶系组成网状结构，与线粒体内膜内侧有一定的连接，利于上述酶促反应所形成的NADH转移至内膜的电子传递链中。除各种可溶性酶外，线粒体基质还含有线粒体自身的DNA（即线粒体DNA）和核糖体（粒线体核糖体）。

线粒体基质中每1μL的水溶解了约1.25mg的蛋白质，而细胞质基质中每1μL的水溶解了约0.26mg蛋白质，所以线粒体体基质较细胞质基质黏稠。虽然已知线粒体内膜含有可调节水分子转运的水信道蛋白，线粒体维持内膜两侧的渗透平衡的方式仍不明晰。

In the mitochondrion, the matrix contains soluble enzymes that catalyze the oxidation of pyruvate, small organic molecules, nucleotide cofactors, and inorganic ions. The matrix facilitates the citric acid cycle, the first stage in aerobic respiration,and the electron transport chain.