Während der Befruchtung verschmelzen Eizelle und Samenzelle zu einer neuen diploiden Struktur. Beim Menschen findet dieser Prozess statt, sobald die Eizelle von dem Eierstock in den Eileiter gelangt. Dieser Vorgang erfordert mehrere wichtige Schritte: 1) die im Genitaltrakt vorhandenen Spermien müssen die Eizelle lokalisieren; 2) sobald sie dort sind, müssen die Spermien Enzyme freisetzen, die ihnen helfen, sich durch die schützende zona pellucida der Eizelle zu bewegen; und 3) die Membranen einer einzelnen Samenzelle und der Eizelle müssen verschmelzen, wobei die Spermien ihren Inhalt, einschließlich ihres Zellkerns und Zentrosoms, in das Zytoplasma der Eizelle freisetzen. Wenn diese Schritte erfolgreich verlaufen, verbindet sich das genetische Material der männlichen und weiblichen Geschlechtszellen. Die mitotische Zellteilung beginnt, wodurch ein diploider Embryo entsteht.
Die Verbindung der Samenzelle mit der Eizelle bewirkt verschiedene Veränderungen, unter anderem die Produktion von mehreren Ausschüttungswellen von Kalzium-Ionen (Ca2+), die durch die Eizelle pulsieren. Diese Schwingungen werden durch die Verschmelzung der Samenzelle mit der Eizelle ausgelöst und entstehen durch die Freisetzung und Aufnahme von endogenem Ca2+ in das endoplasmatische Retikulum der Eizelle sowie durch die gleichzeitige Abgabe und Aufnahme dieser Ionen aus der extrazellulären Umgebung der Eizelle. Wichtig ist, dass die Kalzium-Signale die Eizelle modifizieren, indem sie die direkt unter der Plasmamembran der Eizelle befindlichen Vesikel, das sogenannte kortikale Granulat, anregen ihren Inhalt in den offenen Raum unter der Zona pellucida abzugeben. Zu diesen Inhaltsstoffen gehören Enzyme, die spermabindende Proteine spalten, welche die Oberfläche der Zona pellucida verändern und so das Eindringen zusätzlicher Spermien verhindern; dieser Prozess ist eine Art Blockierung der Polyspermie oder gleichzeitige Befruchtung durch mehrere männliche Gameten.
Zusätzlich aktivieren Ca2+ Wellen auch die Eizelle. Interessanterweise bleibt die Eizelle in der Meiose stecken, wenn sie aus dem Eierstock freigesetzt wird, und nimmt den Prozess erst nach der Befruchtung wieder auf. Diese Wiederaufnahme wird zum Teil durch die während der Befruchtung induzierten Ca2+-Signalwege verursacht, welche Kinasen in der Eizelle aktivieren, die die sofortige Zellteilung initiieren können. Sobald die Meiose wiedereinsetzt, teilt sich die Eizelle in zwei Zellen: eine große reife Eizelle (auch Eizelle genannt), die den größten Teil des Zytoplasmas besitzt, und einen kleineren Polkörper, der sich anschließend auflöst. Nach Abschluss der Meiose hat die Eizelle einen Zellkern mit einem Satz nicht-verdoppelter Chromosomen, den sogenannten Vorkern (Pronukleus).
Wenn der Vorkern der Eizelle sich bildet, treten auch Veränderungen im genetischen Material der Samenzelle auf. Zunächst ist das Chromatin der Samenzelle dicht gepackt. Sobald jedoch der Nukleus der Samenzelle in die Eizelle eintritt, löst sich ihre Membran auf, und die Chromosomen beginnen sich zu entpacken. Eine neue Kernmembran wird um das locker gepackte Spermienmaterial gebildet, wodurch der Vorkern der Samenzelle entsteht. Interessanterweise wird das Zentrosom der Samenzelle bei der Befruchtung auch in das Zytoplasma der Eizelle abgegeben, und diese Struktur wird sich zwischen den Vorkernen der Eizelle und Samenzelle orientieren und Mikrotubuli bilden, die diese Strukturen zueinander ziehen. Wenn sie sich treffen, verlieren die Vorkerne ihre Membranen, ihre Chromosomen vermischen sich, und der Prozess der Mitose beginnt.
