粒線體是細胞內合成能量分子「三磷酸腺苷」（ATP）的主要場所，是細胞活動的能量來源，因而有「細胞的發電廠」之稱；此外粒線體還與細胞分化、細胞內訊息傳遞和細胞凋亡等過程有關；它也具有調控細胞生長和細胞周期的作用。因此不難想像，粒線體是癌症產生過程中非常重要的環節，也是研發抗癌新藥非常重要的標的。
空氣是生命三要素之一，因為大多數的生物需要呼吸以獲取空氣中的氧氣，而氧氣則是細胞內「有氧呼吸」要順利進行所必須。粒線體是細胞內與「呼吸作用」關係最緊密的胞器，呼吸作用的關鍵步驟都於其內發生。細胞內的呼吸作用會將葡萄糖、胺基酸和脂肪酸分解成更小的分子，並藉由數個步驟將能量轉移到還原性氫，最後經由一系列的電子傳遞，氫被氧化生成水；原本貯存在還原性氫的能量，則轉移到 ATP 上供細胞的活動運用。
粒線體與「細胞凋亡」的關係
細胞凋亡（apoptosis）是生物清除個體內不良細胞的一種機制，當細胞 DNA 遭受嚴重損壞無法修復時細胞會啟動此自殺程序，如此可避免體內的累積基因突變因子，減少癌症發生的風險。當細胞凋亡程序啟動時，有一類能促進細胞凋亡（pro-apoptosis）的蛋白質會聚集於粒線體的膜上並使其形成破洞，這些孔洞使得粒線體內的物質釋放至細胞質，而洩漏出來的物質（如細胞色素 C）會進一步誘發細胞內的凋亡蛋白酶（Caspase 9）之活化，最終導致細胞自我分解其 DNA 與蛋白質而走向死亡。
粒線體與「自由基」的關係
自由基（free radical）具有極強的化學反應活性，幾乎能與細胞內的任何分子發生反應而破壞其正常結構與功能。粒線體是人體產生自由基最主要的來源，呼吸作用過程中 98% 的氧氣會在細胞內產生能量，但是約 2% 會成為自由基。正常情況時身體能中和這些自由基，不至對身體造成傷害。但是當細胞內自由基水平高時不論是 DNA、蛋白質或是細胞膜皆會為其破壞而加速細胞的老化與癌化。
粒線體與癌細胞新陳代謝異常（cancer metabolic dysregulation）的關係
癌細胞的新陳代謝與正常細胞相比有很大的不同，以滿足其不斷增生所需，而粒線體正是細胞新陳代謝的核心。葡萄糖的代謝產物經由粒線體的作用可產生最多的能量，但是癌細胞為了利用代謝葡萄糖的中間產物以合成蛋白質、脂肪以及 DNA，因此會降低粒線體利用丙酮酸（pyruvate，葡萄糖的代謝中間產物）的效率。由於粒線體能最有效率地產生能量，因此它會運用其他的「原料」來產生能量，例如麩胺酸（Glutamic acid）進入粒線體後會先由麩胺酸脫氫酶（glutamate dehydrogenase，GDH）作用，最後被完全代謝為二氧化碳並產生大量的能量。不同種類的癌症對於脂質的新陳代謝各不相同，有的倚賴分解脂肪以獲取能量；有的則是合成大量的脂肪供癌細胞分裂時生成新的細胞膜所需。但是不論是分解或合成脂肪，都需要仰賴粒線體的參與才能順利完成。
粒線體是研發抗癌藥物之標的
目前與粒線體有關的抗癌藥物研發，最著名的例子是老藥新用的「每福敏」（metformin）。每福敏原本是治療糖尿病的用藥，但是許多研究皆發現，服用此藥的糖尿病患者罹患癌症的比例，較未服用此藥者明顯少了許多。目前認為每福敏能抑制粒線體上電子傳遞鏈的複合體的活性，因而減少癌細胞之能量供給並抑制癌細胞的生長。美國匹茲堡大學癌症研究所（University of Pittsburgh Cancer Institute）的科學家，嘗試將每福敏與免疫治療的抗體藥物共同使用於治療小鼠身上的黑色素細胞瘤與大腸癌，結果顯示每福敏能進一步地增強免疫治療的效果，將有機會實際用於癌症治療。另外還有一類藥物，以粒線體為標的而誘發癌細胞凋亡，這類藥物統稱為 mitocans。例如維生素 E 的相似物，不但能殺死癌細胞對於癌症幹細胞也有效。
註：呼吸作用是細胞將有機分子氧化分解並轉化為能量的過程。
