Η κυτταρική διαφοροποίηση είναι η διαδικασία κατά την οποία ένα λιγότερο εξειδικευμένο κύτταρο μετατρέπεται σε έναν πιο εξειδικευμένο κυτταρικό τύπο. Αποτελεί μέρος της αναπτυξιακής βιολογίας. Διαφορετικοί ιστοί διαθέτουν διαφορετικά είδη οργανιδίων στο εσωτερικό των κυττάρων.
Η διαφοροποίηση συμβαίνει πολλές φορές κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης ενός πολυκύτταρουοργανισμού. Ο οργανισμός μετατρέπεται από ένα απλό ζυγωτό σε ένα πολύπλοκο σύστημα ιστών και κυτταρικών τύπων. Η διαφοροποίηση είναι επίσης μια συνήθης διαδικασία στους ενήλικες: τα ενήλικα βλαστικάκύτταρα διαιρούνται για να δημιουργήσουν πλήρως διαφοροποιημένα θυγατρικά κύτταρα κατά τη διάρκεια της επιδιόρθωσης των ιστών και κατά τη διάρκεια της φυσιολογικής κυτταρικής εναλλαγής.
Η διαφοροποίηση αλλάζει δραματικά το μέγεθος, το σχήμα, τη μεταβολική δραστηριότητα και την ανταπόκριση ενός κυττάρου σε σήματα. Οι αλλαγές αυτές οφείλονται σε μεγάλο βαθμό σε αλλαγές στη γονιδιακή έκφραση. Με λίγες εξαιρέσεις, η κυτταρική διαφοροποίηση δεν περιλαμβάνει σχεδόν ποτέ αλλαγή στην ίδια την αλληλουχία του DNA. Περιλαμβάνει όμως την απενεργοποίηση πολλών γονιδίων που δεν χρειάζονται σε έναν συγκεκριμένο ιστό. Έτσι, τα κύτταρα σε διαφορετικούς ιστούς μπορεί να έχουν πολύ διαφορετικά φυσικά χαρακτηριστικά παρά το γεγονός ότι έχουν το ίδιο γονιδίωμα.
Η κυτταρική ισχύς είναι η ικανότητα ενός κυττάρου να διαφοροποιείται σε άλλους κυτταρικούς τύπους. Ένα κύτταρο που μπορεί να διαφοροποιηθεί σε πολλούς κυτταρικούς τύπους είναι γνωστό ως πολυδύναμο. Τέτοια κύτταρα ονομάζονται βλαστικά κύτταρα στα ζώα και μεριστωματικά κύτταρα στα ανώτερα φυτά. Ένα κύτταρο που είναι ικανό να διαφοροποιείται σε όλους τους κυτταρικούς τύπους είναι γνωστό ως τοτιποθετικό. Στα θηλαστικά, μόνο το ζυγωτό και τα πρώιμα εμβρυϊκά κύτταρα είναι τοτιποθετικά, ενώ στα φυτά πολλά διαφοροποιημένα κύτταρα μπορούν να γίνουν τοτιποθετικά με απλές εργαστηριακές τεχνικές.
