Na espermatogénese, as espermatogónias transformam-se em espermatozoides, ao ritmo de milhões por dia. Este processo compreende quatro fases sucessivas: multiplicação, crescimento, maturação e diferenciação.

Fase de multiplicação: as células germinativas, espermatogónias, sofrem mitoses sucessivas. Estas células diploides (2n = 46) localizadas na periferia dos tubos seminíferos entram em proliferação desde a puberdade até ao fim da vida do indivíduo.

Fase de crescimento: as espermatogónias aumentam de volume, devido à síntese e acumulação de reservas necessárias para a meiose. As células resultantes designam-se espermatócitos I ou espermatócitos de 1ª ordem.

Fase de maturação: cada espermatócito I (2n = 46) passa por uma primeira divisão nuclear meiótica, dita “reducional”, por reduzir a metade o número de cromossomas. Resultam da primeira divisão duas células haploides (n = 23), os espermatócitos II, nas quais cada cromossoma tem dois cromatídeos (ver meiose). Da segunda divisão, dita “equacional”, resultam quatro células haploides, os espermatídeos, com um só cromatídeo por cromossoma.

Fase de diferenciação ou espermiogénese: os espermatídeos sofrem uma transformação em células altamente especializadas, os espermatozoides. Durante esta última fase os espermatídeos perdem grande parte do citoplasma por fagocitose das células de Sertoli e os organelos citoplasmáticos sofrem uma reorganização: o complexo de Golgi forma uma vesícula, o acrossoma, que armazena enzimas digestivas e se adapta ao núcleo; os centríolos dispõem-se no pólo oposto ao acrossoma e um deles origina os microtúbulos do flagelo; as mitocôndrias dispõem-se na base do flagelo e fornecem a energia que permitirá o movimento do flagelo.

No final desta fase os espermatozoides são libertados para o lúmen dos túbulos seminíferos e daí para os epididímos, onde termina a sua maturação, ganhando mobilidade e capacidade de fertilização. Posteriormente, os espermatozoides são transportados para os canais deferentes, misturando-se com as secreções das vesículas seminais e da próstata e formando o esperma, que é libertado no decurso de uma ejaculação.