細胞分化是胚胎細胞分裂後，未定形的細胞在形態和生化組成上向專一性或特異性方向發展，或由原來較簡單具有可朔性的狀態向異樣化穩定狀態發展的過程，也就是說細胞分化是指同一來源的細胞逐漸發生各自特有的形態結構，生理功能和生化特徵的過程。細胞分化時的主要特徵是細胞出現不同的形態結構和合成組織特異性蛋白質，演變成特定表型的細胞類型。其結果是在空間上，細胞之間出現差異；在時間上同一細胞和它以前的狀態有所不同。從本質上說，細胞分化是從化學分化到形態、功能分化的過程。
細胞分化嚴格地講，是指多細胞生物在由一個細胞分裂而來的子細胞羣體內，產生出形態上和功能上具有質的差別的兩種類型以上的細胞的現象。這種現象的產生，包含着在原來未能察覺的特殊細胞的某種特徵出現的過程。因此，細胞分化不是特指細胞羣體間的差別，而且也往往使用於具有某種類型的細胞特徵的出現。細胞分化的結果原則上是穩定的，特別是動物細胞，在細胞分化後再分化成其他類型的細胞只是例外。在已分化的細胞中，有的可能增殖，有的不能增殖。前者在增殖時往往部分發生脫分化。關於細胞分化的原因，現在認爲不在於基因組成的變化，推測只是由某種特定基因活動的結果，或是其活動範圍擴大的結果。