細胞分化（cell differentiation）是指同一來源的細胞逐漸產生出形態結構、功能特征各不相同的細胞類群的過程，其結果是在空間上細胞產生差異，在時間上同一細胞與其從前的狀態有所不同。
細胞分化的本質是基因組在時間和空間上的選擇性表達，通過不同基因表達的開啟或關閉，最終產生標志性蛋白質。一般情況下，細胞分化過程是不可逆的。然而，在某些條件下，分化了的細胞也不穩定，其基因表達模式也可以發生可逆性變化，又回到其未分化狀態，這一過程稱為去分化dedifferentiation）。
