細胞分化（英語：cellular differentiation），是發育生物學的研究課題之一，指的是在多細胞生物中，一個干細胞在分裂的時候，其子細胞的基因表達受到調控，例如DNA甲基化，變成不同細胞類型的過程。類如全能（totipotent）的受精卵在分裂到一定程度時，其子細胞就會開始向特定的方向分化，形成胎兒的肌肉，骨骼，毛發等器官。
分化后的細胞在其結構，功能上都會出現差異，而且成為了所謂的“單能性”細胞（unipotent），就是其只能分裂得出同等細胞類型的子細胞。但是所有這些子細胞的基因組（Genome）卻是與“祖宗”的干細胞一樣的。研究細胞分化，對理解疾病的發生，如癌癥的出現有著重要意義。