보통 핵분열이 세포질분열보다 먼저 일어난다. 이 핵분열은 대부분의 경우 유사분열이며, 유사분열은 염색체의 분배와 같은 중요한 일을 한다. 체세포분열과 감수분열 양쪽에서 보인다. 체세포분열의 핵분열은 전기 ·중기 ·후기 ·말기로 나누어진다. 분열 결과 만들어진 딸세포들은 모세포와 동일하며, 핵내의 유전물질은 정확하게 복제되어 2개의 딸세포로 나누어져 들어간다. 감수분열은 생식세포를 형성할 때 일어나는 분열로서, 그 결과 염색체의 수가 체세포에 비하여 반으로 감소한다. 그리고 체세포분열의 핵분열에 앞서 이형핵분열인 제1분열이 존재한다.
세포분열 과정을 살펴보면, 분열에서 다음 분열까지의 시기를 간기(間期) 또는 휴지기라고 한다. 이 간기에는 세포내의 물질대사나 고분자합성이 일어나고, DNA 등의 염색체 물질의 복제도 일어난다. 분열 직후 형성된 딸세포는 간기에 점차 커져 핵도 2배로 자란다. 간기 기간은 동물 ·식물 ·종 ·품종 ·조직 ·기관의 차이, 온도 ·영양 등에 따라 다르며, 수 시간 또는 수십 시간에 이르는 경우가 많다. 간기의 핵은 핵분열을 안 할 뿐 물질대사는 왕성하다. 유사분열에 의해 염색체가 2개의 핵으로 나누어진 후 세포질분열이 일어난다. 분열기에 들어서면 우선 핵이 전기 ·중기 ·후기 ·말기를 거쳐 딸세포가 형성된다.
① 전기:핵 안의 염색사(染色絲)가 나선형으로 꼬여 두껍고 짧아져 끈 모양의 염색체가 된다. 염색체는 2개의 염색분체가 붙어 있는 모양으로 되어 있으며, 동시에 핵막 ·인이 소실된다. 고등식물을 제외한 대부분의 세포들은 한 쌍의 중심립이 핵막 바깥쪽에 위치한다. 중심립은 먼저 분열한 후 이동을 시작하여 양극에 도달한다. 중심체가 없는 세포에서는 양극으로부터 방추체가 생기기 시작하는데, 이를 극모(極帽)라 한다. 동시에 양극 또는 중심체를 중심으로 하여 별빛 모양 또는 실 모양 구조를 통틀어 성상체라고 한다. 유사분열기간 중 전기가 가장 긴 시간을 차지한다.
② 중기:구형인 핵이 타원형이 되며 비염색질은 방추형의 방추체를 이루면서 적도면(赤道面:적도판)을 향하여 염색체가 이동한다. 염색체는 적도판에 늘어서서 각각 정렬하며, 각 염색체의 동원체와 방추체의 양극을 묶는 방추사가 생긴다. 각 염색체의 동원체는 방추사와 연결되어 양 극으로 이동할 준비를 한다. 이 때가 염색체 관찰의 가장 좋은 시기이다.
③ 후기:염색분체가 나누어져 각각의 염색체로 되어 양극으로 끌려 간다. 염색체가 이동할 때는 방추사와 연결된 동원체 부분부터 끌려가며, 염색체 가닥이 뒤따르게 된다.
④ 말기:극에 도달한 염색체는 차츰 풀어져 염색사로 되어 관찰하기 어렵게 된다. 딸염색체군을 바탕으로 해서 2개의 딸핵이 형성된다. 즉, 방추사가 사라지면서 핵막과 인은 다시 나타나 딸핵은 다시 간기의 핵 모양으로 된다. 식물에서는 후기와 말기 사이에 적도면에 세포판이 생기고 격막을 형성하여 모세포가 2개의 딸세포로 나뉜다. 동물에서는 적도면 주위에서 모세포가 잘려 세포질을 분할한다. 또, 동물세포에서는 전기와 중기 사이에 중심체가 핵 바깥에 나타나 2분되어 두 극을 만든다. 이상과 같이 생식세포가 생길 때의 감수분열에서는 간기가 길고 분열 후 염색체수가 반감한다. 염색체가 형성되지 않고 갑자기 핵이 둘 또는 그 이상의 덩어리로 떨어져 나뉘는 분열이 있는데 이것은 병적인 세포 ·조직 또는 집합핵 등이 분열할 때 볼 수 있다.