细胞分化（cell differentiation）是指同一来源的细胞逐渐产生出形态结构、功能特征各不相同的细胞类群的过程，其结果是在空间上细胞产生差异，在时间上同一细胞与其从前的状态有所不同。

细胞分化的本质是基因组在时间和空间上的选择性表达，通过不同基因表达的开启或关闭，最终产生标志性蛋白质。分化程度通常用来描述肿瘤细胞，用于分析肿瘤的恶性程度。如果肿瘤细胞和起源的组织细胞结构差不多，属于分化程度高，通常会形成良性肿瘤或者是低度恶性肿瘤。如果肿瘤细胞和起源的细胞结构有比较大的差异，提示恶性程度高，分化程度低，会形成恶性肿瘤，比如癌症或者肉瘤。通常分化程度高的肿瘤手术效果比较好，分化程度低的肿瘤对化疗多比较敏感。