线粒体是氧化代谢的中心和ROS生成的主要部位。线粒体基因组DNA( mtDNA)或线粒体生命功能的紊乱(例如ATP和ROs的产生)，已被证明与许多疾病的发生有关。维护正常细胞线粒体功能可以减少其突变为肿瘤细胞的概率，维护肿瘤细胞线粒体功能可以减少其侵袭性和耐药性，维护免疫细胞线粒体功能可以保持免疫细胞的正常功能。2016年德国Otto等观察到癌症在O2存在下发酵葡萄糖，认为线粒体呼吸缺陷可能是导致癌症的根本原因。辐射、致癌化学物质、病毒、慢性炎症等诱导产生的ROS，能损伤线粒体，进而破坏有氧呼吸，激活发酵基因，形成以发酵为主的能量生成过程，引起癌细胞形成。有人认为癌症其实是一种“代谢性疾病”。也有人将癌症称为线粒体疾病，该部分内容将在独立章节进行详细论述。

    H2可以在浓度梯度驱动下，快速透过细胞膜进入线粒体。2011年日本Ohta报道，除了保护线粒体免受•OH等ROS的影响外，H2还对线粒体功能产生保护作用，包括维持线粒体膜电位、增加ATP的产生，以及减少细胞器的肿胀，维护线粒体生物能量产生的健全。