A hipótese endossimbiótica é, atualmente, a mais aceite no seio da comunidade cientifica para explicar o aparecimento das células eucarióticas, baseando-se no princípio das relações simbióticas. Foi proposta, em 1905, pelo botânico russo Konstantin Mereschkowsky, que conhecedor dos trabalhos do botânico Andreas Schimper ao observar, em 1883, que a divisão dos cloroplastos das plantes verdes era semelhante à divisão das cianobactérias de vida livre, sugeriu que os cloroplastos tivessem tido origem em organismos anteriormente de vida livre. Em 1920, Ivan Wallin (1883-1969) sugere que também as mitocôndrias terão uma origem endossimbiótica. À época não foi possível apresentar provas que sustentassem tal hipótese e ela foi ignorada. Mais tarde já na década de 1960 com os avanços na microscopia eletrónica e na genética molecular, comparações ainda mais detalhadas entre as cianobactérias e os cloroplastos e a descoberta de que quer as mitocôndrias quer os plastos contêm o seu próprio DNA, levou a que a hipótese fosse retomada.

Em 1967, Lynn Margulis publica um artigo intitulado The Origin of Mitosing Eukaryotic Cells. Mais tarde, em 1981, publica Symbiosis in Cell Evolution onde sugere que o flagelo e os cílios nos eucariontes as células eucarióticas teriam origem na simbiose com espiroquetas. Esta ideia terá sido rejeitada porque os flagelos não possuem DNA e a sua ultra estrutura é muito diferente da dos procariontes. Lynn Margulis realça a interdependência e a simbiose de múltiplos procariontes e sugere ainda que a endossimbiose é umas das principais forças evolutivas, afirmando “ Os seres vivos não ocuparam a Terra à pela força, mas pela cooperação” (do original "Life did not take over the globe by combat, but by networking"). Os pontos mais importantes da hipótese são:

• uma célula procariótica terá captado outras células procarióticas de menores dimensões (células hóspedes) que permaneceram no interior da célula hospedeira, resistindo à digestão
• estabeleceram-se relações de simbiose entre a células hospedeira e as células hóspedes.
• a estreita simbiose entre hospedeira e hóspedes tornou-se tão eficaz que se tornaram dependentes, constituindo organismos singulares
• as células hóspedes tornaram-se os organelos da célula eucariótica.

A hipótese endosssimbiótica admite que os sistemas endomembranares e o núcleo resultaram de invaginações da membrana plasmática, e que as mitocôndrias e os cloroplastos por seu lado seriam até há cerca de 2000 milhões de anos (M.a.) organismos autónomos. Os ancestrais das mitocôndrias seriam organismos com a capacidade de produzir energia utilizando oxigénio no processo de degradação de compostos orgânicos. Os ancestrais dos cloroplastos seriam semelhantes às atuais cianobactérias, isto é, procariontes com a capacidade de produzir compostos orgânicos utilizando energia luminosa. Existem organismos que não possuem mitocôndrias, como a Giardia lamblia e a Pelomyxa palustris, que apoia o modelo de que a formação do invólucro nuclear teria precedido a incorporação dos ancestrais das mitocôndrias. A ausência de cloroplastos de células eucarióticas em animais e fungos é explicada pela forma sequencial com que se estabeleceram as relações simbióticas: as primeiras relações endossimbióticas terão sido estabelecidas com os ancestrais das mitocôndrias e, apenas algumas dessas células posteriormente, teriam estabelecido relações endossimbióticas com os ancestrais dos cloroplastos. Dados recentes indiciam que as mitocôndrias terão derivado de bactérias muito semelhantes às atuais α-proteobactérias, que são capazes de realizar fosforilação oxidativa, obtendo ATP e que os cloroplastos derivam de uma endossimbiose entre uma célula eucariótica primitiva e cianobactérias.

Esta hipótese endossimbiótica para a origem das mitocôndrias e dos cloroplastos reúne um grande consenso entre a comunidade cientifica e as evidências biológicas e bioquímicas que a apoiam são várias:

• atualmente, continuam a verificar-se alguns casos de simbiose obrigatória entre bactérias (procariontes) e protozoários (eucariontes), entre outros
• as mitocôndrias e os cloroplastos têm dimensões muito semelhantes às dos procariontes atuais
• as mitocôndrias e os cloroplastos produzem as suas próprias membranas internas e replicam-se por um processo semelhante à fissão binária, que ocorre nas bactérias
• as mitocôndrias e os cloroplastos têm o seu próprio matéria genético, apresentando uma molécula de DNA circular, sem histonas (semelhante ao DNA da maioria dos procariontes atuais e muito diferente do DNA nuclear)
• os ribossomas dos cloroplastos são mais semelhantes aos ribossomas dos procariontes do que aos ribossomas do citoplasma das células eucarióticas
• os ribossomas das mitocôndrias, embora muito variáveis consoante o organismo eucarionte onde se encontram, são genericamente mais parecidos aos ribossomas dos procariontes do que aos dos eucariontes
• a síntese proteica nas mitocôndrias e nos cloroplastos é inibida pelas mesmas substâncias que inibem a síntese em procariontes (estreptomicina e cloranfenicol), mas não pelas substâncias que inibem em eucariontes (cicloheximida)
• o aminoácido iniciador da cadeia polipetídica nas mitocôndrias e nos cloroplastos é a formil-metionina, como nas bactérias, e não a metionina, como nos eucariontes e nas arqueobactérias.
• nas membranas internas das mitocôndrias e dos cloroplastos existem enzimas e sistemas de transporte semelhantes aos dos atuais procariontes (corroborando a ideia de que as membranas internas derivem das membranas dos procariontes endossimbióticos)

Contudo esta hipótese é também controversa:

• como se processa o controlo da expressão de genes nos diferentes compartimentos celulares, dado que alguns dos genes necessários ao funcionamento das mitocôndrias e dos cloroplastos estão presentes no núcleo das células eucarióticas (argumento a favor da hipótese autogénica)
• como e quando, ao longo da evolução, terão migrado partes do material genético dos organitos para o núcleo das células