双层膜的细胞器有叶绿体和线粒体.关于这两种细胞器的起源有一种理论认为它们原来是一些被吞噬的原核生物,后来与宿主细胞发展成了共生关系,并通过某种方式使自己的基因整合进了宿主细胞的基因组,就延续了下来.这个叫做内共生起源说.原来原核生物有一层膜,被吞入时又包了一层宿主细胞膜,就有了两层膜.而且叶绿体和线粒体内膜的通透性是很差的,这也保证了内部要求苛刻的化学反应的正常进行.
单层膜的细胞器可以理解为细胞膜的延伸,最初为了增大面积附着一些特殊的酶而进化出来,分工行使不同的功能.内部化学反应没那么复杂精密.
没膜的细胞器都是一些大分子堆积成的,如核糖体是rRNA和一些蛋白质,中心体是成串的微管蛋白.它们的功能很简单,没必要营造一个单独的环境,要是有膜就浪费了.