Wewnętrzna błona mitochondrialna bierze czynny udział w najważniejszym procesie metabolicznym prowadzonym przez mitochondrium, czyli w oddychaniu tlenowym. Na błonie wewnętrznej przebiega łańcuch oddechowy, zatem jest ona gęsto obsadzona białkami tworzącymi przenośniki elektronowe, kanały jonowe czy syntazę ATP.