Também chamada de fertilização, a fecundação é a fusão que ocorre entre os núcleos dos gametas (espermatozoide e óvulo), com a consequente formação do zigoto. É importante lembrar que o gameta masculino penetra apenas nos gametas das fêmeas da mesma espécie, pois há proteínas presentes nas membranas dos dois gametas que se encaixam umas nas outras, proporcionando a interação entre eles.
Os óvulos das fêmeas são recobertos por camadas de células foliculares ovarianas (que denominamos envelope vitelínico ou zona pelúcida),que têm a função de nutrir o ovócito durante o seu desenvolvimento no folículo e são consideradas como um revestimento protetor do gameta feminino.
Quando próximo de um óvulo, o espermatozoide nada em direção a ele e o cerca, enfiando-se entre os espaços das células foliculares, até conseguir atingir a zona pelúcida, onde um dos componentes do envoltório ovular, a glicoproteína ZP3, se liga ao espermatozoide, induzindo o seu acrossoma a liberar as enzimas que facilitam a penetração do gameta no óvulo. A partir da ação da enzima contida no acrossoma, abre-se um canal na zona pelúcida por onde o espermatozoide entra, atingindo a membrana plasmática do óvulo.
A membrana plasmática do espermatozoide dos mamíferos apresenta proteínas chamadas fertilizinas que se associam às proteínas receptoras presentes na membrana plasmática do óvulo. Quando ocorre interação das proteínas dos dois gametas, as membranas deles se fundem, gerando uma alteração na permeabilidade da membrana do óvulo a íons Na+ e K+. Essa alteração provoca uma despolarização que se propaga por toda a superfície do óvulo, impedindo que outros espermatozoides o fecundem.
Abaixo da membrana plasmática do óvulo encontramos os grânulos corticais, pequenas bolsas cheias de enzimas digestivas. Assim que o primeiro espermatozoide se funde ao óvulo, causando a despolarização da membrana ovular, os grânulos corticais se fundem à membrana, extravasando seu conteúdo. As enzimas dos grânulos atuarão sobre a zona pelúcida, modificando a glicoproteína ZP3 e destruindo a sua capacidade de interação com os espermatozoides. Dessa forma, nenhum outro espermatozoide será capaz de atravessar a zona pelúcida.
Quinze horas após a penetração do espermatozoide no óvulo, o pronúcleo masculino (como passa a ser chamado o núcleo aumentado do espermatozoide) e o pronúcleo feminino ficam bem próximos um do outro, sendo que em um dado momento a carioteca de ambos se degenera, liberando os cromossomos maternos e paternos no citoplasma do zigoto. Todos os cromossomos se unem às fibras do fuso, ocorrendo a separação das cromátides-irmãs para os polos opostos, sendo que em cada polo veremos 23 cromossomos maternos e 23 cromossomos paternos. Depois que a primeira mitose se completa, as células embrionárias apresentarão 46 cromossomos, sendo 23 de origem materna e 23 de origem paterna. Essa última etapa da fecundação pode ser chamada de cariogamia (cario = núcleo; gamia = casamento), singamia (sin = aproximação) ou anfimixia (anfi = duplo; mixia = mistura).
É importante lembrar que, no processo da fecundação, o óvulo contribui com o núcleo, o citoplasma e todas as suas organelas, enquanto que o espermatozoide contribui apenas com o núcleo (as mitocôndrias encontradas no espermatozoide não entram no óvulo; e quando entram são destruídas).