精母细胞产生后，进入生长期，体积增大，此时称为初级精母细胞。它们的细胞核合成 DNA，染色质发生一系列的复杂变化，准备第一次成熟分裂（见减数分裂)。分裂后每个初级精母细胞产生两个与体细胞DNA数相同的次级精母细胞。后者不复制 DNA，经过较短时间的停留，就进入第二次成熟分裂，形成两个精子细胞。所以一个初级精母细胞经过两次成熟分裂形成四个单倍体精子细胞。在各种动物精子发生中只有这个阶段大体相似。
由精子细胞成为精子的过程叫精子形成，也称为精子变态。这一过程极为复杂，主要是细胞核和细胞器发生急剧变化。细胞核中核蛋白成分发生显著变化，导致染色质致密化，核的体积缩小。在有些动物中鱼精蛋白取代了核中的组蛋白。高尔基器、中心粒和线粒体变化也很大。由一系列小泡所组成的高尔基器，其中有些小泡中产生顶体前颗粒。小泡不断扩大合并成较大液泡，覆盖于核的前端，并进一步演变为帽状顶体。顶体前颗粒也汇集成较大的、显示粘多糖反应的顶体颗粒。中心粒在高尔基器变化的同时一分为二并相互移开，近端中心粒位于核后端的凹陷中，远端中心粒形成鞭毛的轴丝，以后消失。线粒体则重新分布，围绕着轴丝形成螺旋。这种运动与线粒体周围的肌动蛋白纤维有关。在这些变化的同时，大部分细胞质聚集到颈部，仅通过一细柄与精子相连。这时精子的尾部已从后端长出，当此细柄断开时，精子即与细胞质（称为残体）脱离进入到曲细精管的管腔中。
精子发生的全部过程与支持细胞有密切关系。曲细精管上皮由长柱状、底部较宽顶部较窄的支持细胞和生殖细胞组成。精母细胞处于支持细胞与曲细精管的基膜之间，二者之间有桥粒样连接相连（见细胞间连结)。进行成熟分裂的精母细胞逐渐向精细管的管腔移动，这主要是靠支持细胞本身的运动（可能与其中丰富的微丝有关）。各级精母细胞位于支持细胞的凹窝中，或两个相邻支持细胞形成的凹窝中，并且与支持细胞的细胞膜形成间隙连接，借此相连。各级精母细胞按照成熟的程度排列，处于变态中的精子细胞更靠近顶部。在这里，支持细胞通过两种结构与精子细胞发生联系：一是外质中的肌动蛋白纤维形成的连接结构；另一种是球带状复合体，后者是支持细胞的顶部表面和精子细胞的头部表面共同形成的。由于从精原细胞不断产生精母细胞进行置换，因而产生出这样精确的排列。
