叶绿体是植物特有的细胞器，是植物进行光合作用和一些其他代谢活动的场所。植物细胞中除了细胞核和线粒体具有各自的基因组外，叶绿体也具有可进行自主复制的基因组。

叶绿体中的DNA与核DNA不同，不含有5-甲基胞嘧啶，不与组蛋白结合，而且容易变性。维管植物的叶绿体DNA属于原核生物类型，轮廓长度为37～45微米，每个质体含基因组的拷贝数为20～900个，DNA分子位于叶绿体基质中。

叶绿体基因组多为双链环状分子，其大小位于120kb（kilo-base pair，千碱基）到180kb（kilo-base pair，千碱基）之间。高等植物的叶绿体基因组结构一般由四个区域组成：多数有两个拷贝的反向重复区域（inverted repeats; IRs），分别称为反向重复区域A和B、大单拷贝区（the large single copy; LSC）和小单拷贝区（small single copy region; SSC）。不同物种叶绿体基因组之间的差异主要表现在IR区域的长度和方向变化上。一般高等植物的IR区域长度都在20～30千碱基对之间，IR区域长度变短的植物如柳杉，其IR区只有114bp（base pair，碱基对），有些豆科植物（如蚕豆）甚至不含有反向重复区域。而有些植物IR区域长度伸长，如天竺葵的IR区段长达76kb。IR区域长度的变化，除了在进化中丢失造成的，也可能是叶绿体和细胞核遗传物质转移产生的。

在高等植物中，叶绿体基因组通常含有110～130个基因，编码4个rRNAs，30～31个tRNAs，80～90个功能蛋白。叶绿体基因组中的基因有光合作用过程相关的基因、叶绿体基因表达所需的基因和其他基因。

随着叶绿体纯化技术的改进、叶绿体的分离和DNA提取方法的成熟以及测序技术的发展，迄今已有超过100个物种的叶绿体全基因组序列公布，许多作物如水稻、小麦、玉米、大豆等重要农作物的叶绿体基因组序列都已经测定完成。分析比较已发表的主要高等植物叶绿体基因组测序结果，发现几个突变的热点区域，如编码ATP合成酶a亚基序列（atpA）是易变基因。通过比对叶绿体基因组的序列，可以为多种植物的进化和多态性提供更精准的分析。