线粒体通过多种机制控制细胞死亡，其中最为显著的是通过调节细胞凋亡过程。细胞凋亡是一种程序性细胞死亡方式，对于维持组织稳态和防止疾病发生具有重要意义。线粒体在细胞凋亡中发挥着关键作用：
释放凋亡相关蛋白：当细胞受到凋亡刺激时，线粒体膜通透性会发生变化，导致凋亡相关蛋白从线粒体释放到细胞质中。这些蛋白包括细胞色素C、凋亡诱导因子（AIF）和Smac/DIABLO等。细胞色素C与凋亡蛋白酶激活因子1（Apaf-1）结合，形成凋亡体，进而激活半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶（caspase），引发细胞凋亡的执行阶段。
调节Bcl-2家族蛋白：Bcl-2家族蛋白是线粒体凋亡途径中的关键调节因子。这些蛋白分为促凋亡蛋白（如Bak和Bax）和抗凋亡蛋白（如Bcl-2和Bcl-xL）。它们通过调节线粒体膜的通透性来控制细胞凋亡。促凋亡蛋白能够诱导线粒体膜通透性增加，释放凋亡相关蛋白；而抗凋亡蛋白则维持线粒体膜的稳定性，抑制细胞凋亡。
调控钙离子平衡：线粒体在维持细胞内钙离子平衡中发挥着重要作用。钙离子浓度的异常变化可以影响线粒体的功能，进而触发细胞凋亡。线粒体通过调节其膜上的钙离子通道和交换器，以及与其他细胞器（如内质网）的相互作用，来维持钙离子的稳态。当钙离子平衡失调时，线粒体功能受损，可能引发细胞凋亡。
此外，线粒体还通过其他机制参与细胞死亡的调控，如自噬和坏死等。自噬是一种细胞自我降解的过程，有助于清除受损的线粒体和其他细胞器，从而维持细胞稳态。当线粒体损伤严重或无法修复时，细胞可能通过自噬途径清除这些线粒体，以避免进一步的细胞损伤和死亡。坏死则是一种非程序性的细胞死亡方式，通常在极端条件下发生，如严重的物理或化学损伤。