Sự tự nhân đôi của nhiễm sắc thể diễn ra trong giai đoạn S (Synthesis) của chu kỳ tế bào. Trong giai đoạn này, mỗi nhiễm sắc thể được nhân đôi thành hai nhiễm sắc thể chị em, tạo ra một bộ nhiễm sắc thể giống hệt nhau. Sau đó, tế bào tiếp tục vào giai đoạn G2 (Gap 2) và sau đó là giai đoạn M (Mitosis) để chia thành hai tế bào con có cùng bộ nhiễm sắc thể.