前面提到细胞分化是指细胞后代在形态结构和功能上发生差异的过程，通过细胞分化，使具有相同遗传组成的细胞，选择性地表达不同的基因，产生不同的结构蛋白、执行不同的功能，共同参与构成一个复杂的细胞社会——个体，所以细胞分化的实质是基因的差别表达（differential expression）。细胞分化与形态发生（morphogenesis）是相互联系在一起的，后者是指通过细胞的增殖、分化和行为（如粘附、迁移、凋亡）塑造组织、器官和个体形态的过程。
随着细胞的分裂和分化，细胞的发育方向逐渐被限定，当尚未定向的细胞不可逆地转变为某种定向细胞的时刻，细胞的命运就被固定了，因而也称之为决定（determination），如哺乳动物桑椹胚的内细胞团和外围细胞，前者形成胚胎、后者形成滋养层。
不同种属动物，其早期胚胎细胞出现决定的时间不同。无脊椎动物早期的卵裂球已经决定，每个卵裂球可以形成身体的一部分，但是任何一部分卵裂球都不能发育为完整的个体。而哺乳类胚胎在8细胞期以内，任何一个细胞都具有发育为一个个体的能力，即使在16细胞期，仍可发现个别细胞具有独立发育成后代的能力。
细胞分化的机理及其复杂，概括而言细胞的分化命运取决于两个方面：一是细胞的内部特性，二是细胞的外部环境，前者与细胞的不对称分裂（asymmetric division）以及随机状态有关，尤其是不对称分裂使细胞内部得到不同的基因调控成分，表现出一种不同于其它细胞的核质关系和应答信号的能力；后者表现为细胞应答不同的环境信号，启动特殊的基因表达，产生不同的细胞的行为，如分裂、生长、迁移、粘附、凋亡等，这些行为在形态发生中具有极其重要的作用。
以下我们对细胞的不对称分裂、诱导机制、细胞数量控制、细胞行为变化等分化和发育的主要机制作简要地介绍。
一、不对称分裂
动物受精卵并不是均一结构，而是具有高度的异质性。首先，卵母细胞的核并不位于中央，而是在细胞外周靠近表面的地方，极体就是从这里形成并释放出长的（图14-3），通常把极体释放的位点称为北极或动物极，而相对的一极称为南极或植物极。其次，卵细胞中的蛋白质、mRNA并非均匀分布的，而是定位于特定的空间。
动物卵细胞中，贮存有2-5万种不同的mRNA，专供受精卵的启动、分化和发育之用，用转录抑制剂放线菌素D处理海胆受精卵，使RNA的合成受到抑制，胚胎发育仍能进行至囊胚期，但如用蛋白质翻译抑制剂嘌呤霉素或亚胺环己酮处理受精卵，则受精卵完全停止分化发育。
卵的异质性使卵的分裂必然是不对称的，不同的子细胞得到的“家产”不同，因此具有不同的分化命运，例如昆虫是以表面卵裂的方式形成胚层细胞的，迁入卵的后端极质部的细胞发育为原始生殖细胞，用紫外线照射卵的这一区域，破坏极质，将会发育为无生殖细胞的不育个体。
在胚胎发育阶段，不对称分裂是常见的现象，如果蝇神经系统发生时，成神经细胞经过连续不对称分裂，像出芽的一样产生一些小细胞，这些小细胞是神经节母细胞（ganglion mother cells），再经过一次分裂形成神经元或神经胶质细胞。在哺乳动物中，干细胞的分裂也是不对称的，产生一个祖细胞和另一个干细胞，祖细胞只具有有限的自我更新能力，只能分化为终端细胞。
