У попередніх розділах описані структура і функції клітин в загальному. Проте клітини в організмі різні. Процес, який веде до утворення різних клітин з початково однорідних, у цитології називається диференціацією клітин. Процес диференціації клітин здійснюється як у період ембріонального розвитку організму, так і під час його постнатального життя. В ембріональний період (ембріогенез) ці процеси відбуваються як на рівні ембріональних зачатків, так і під час спеціалізації клітин і тканин.
Розвиток організму супроводжується двома процесами: клітинною проліферацією (від лат. proles — нащадок, потомок і phero — несу) — розростанням тканин унаслідок багаторазового поділу клітин та диференціацією (від лат. differentia — відмінність) — утворенням різних клітин з початково однорідних.
Диференціація клітин (цитодиференціація) звичайно наступає після проліферації. Клітини, які швидко розвиваються є, як правило, малодиференційованими (наприклад, мезенхімні клітини або клітини базального шару епітелію шкіри). Високодиференційовані клітини звичайно втрачають здатність до проліферації. Проліферацію, як і ріст, стимулюють різні гуморальні фактори, зокрема фактори росту.
Цитодиференціація — поява відмінностей між клітинами у багатьох тварин є незворотним процесом. Вона здійснюється лише в одному напрямку — від менш диференційованої до більш диференційованої клітини. Результатом диференціації є спеціалізована клітина конкретної морфології, здатна виконувати певні, визначені функції. Цитодиференціація у рослин і нижчих тварин — процес зворотний.