曲细精管基底部的精原细胞含有与体细胞内数目相同的染色体。在精子发生过程中，首先部分精原细胞体积增大，染色体进行复制 ,此时，精原细胞就演变为初级精母细胞。紧接着，初级精母细胞中的同源染色体两两配对，初级精母细胞进行分裂，一个初级精母细胞分裂成为两个次级精母细胞。然后，两个次级精母细胞中每条染色体的着丝点分裂为二，两条姐妹染色单体完全分开，各自带有一个着丝点，在纺锤丝的牵动下，两条染色单体分别向细胞的两极移动再分裂成为四个精子细胞。最终，精子细胞中含有的染色体数目为初级精母细胞的一半，每个精子细胞携带单倍数目的染色体，但是此时精子细胞的形态与蝌蚪般的精子依然相去甚远。
由精子细胞演变成为精子的过程叫精子形成。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改变，导致染色质致密化，核的体积缩小。细胞质内高尔基体中的部分小泡产生顶体前颗粒，进而汇集成较大的粘多糖顶体颗粒。高尔基体中的其余小泡则不断扩大融合成较大液泡，覆盖于核的前端，并进一步演变为帽状顶体。中心粒在高尔基体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。线粒体则在周围肌动蛋白纤维的作用下围绕轴丝形成螺旋。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，“小蝌蚪”般的精子随即形成，并进入到曲细精管的管腔中。此时的精子已经具有运动功能，但并未完全发育成熟。
精子在睾丸的曲细精管内生成以后，从形态上来看，已形成“小蝌蚪”般的精子，但有实验证明，睾丸内的精子并不具备授精能力。睾丸精子还需在附睾内经历精子成熟的过程。睾丸精子在附睾管内的运行过程要经历一系列复杂的变化。在附睾中，其上皮细胞具有很强的吸收能力，其吸收物之一是精子中的锌，故附睾中精子锌的含量逐渐下降，精子中的锌可以抑制精子活力，因此当精子中锌被附睾上皮吸收后，精子便开始活跃了，从而具备了授精能力。附睾可合成、分泌许多物质，其分泌的特异蛋白质可复盖于精子表面，并以特殊的方式与精子膜相互作用，引起膜渗透性改变，使细胞内离子浓度发生变化，进而触发细胞代谢引起精子成熟及产生运动。精子在成熟过程中，体积略变小，含水量减少。最明显的改变是未成熟精子体部的胞浆小滴向后移动脱下。精子在附睾成熟过程中表面负电荷增加，最终在电荷同性相斥的作用下，成熟的精子以独立非团簇的形式贮存于附睾内。