Зростання, дозрівання гамет та інші обставини, що призводять до зустрічі чоловічих і жіночих статевих клітин, мають лише попереднє значення на шляху до їх з'єднанню. Проникнення сперматозоїда в яйцеклітину і відбувається в результаті цього з'єднання ядерних речовинобох клітин є кульмінаційним моментом процесу запліднення і сповіщають про початок життя нового індивідуума.
Прямі спостереження над з'єднанням гамет у ссавців дуже незначні і уривчасті. Тим не менш, зіставляючи ці спостереження з більш великими даними, отриманими при вивченні водних тварин, у яких запліднення протікає поза материнським організмом, неважко уявити собі весь хід подій.
Якщо статевий зносини здорових чоловіка і жінки відбулося приблизно під час овуляції, потрібно лише кілька годин на те, щоб яйцеклітина, що вступила в бахромчастий кінець маткової труби, була оточена великою кількістю сперматозоїдів, з яких лише один проникає в яйцеклітину. Відразу ж після впровадження сперматозоїда яйцеклітина відчуває зміни, спрямовані на запобігання проникнення в неї інших сперматозоїдів.
Це явище можна легко спостерігати під мікроскопом у багатьох морських видів, проводячи досліди в чашці з морською водою. Як тільки сперматозоїди будуть введені в чашку, яка містить яйцеклітини, як відразу ж можна побачити, як вони юрбами оточують кожну яйцеклітину. Незважаючи на відносно величезний обсяг яйцеклітини, вона може бути навіть наведена в обертання під впливом об'єднаних зусиль сперматозоїдів.
Коли один сперматозоїд проник в яйцеклітину, її поверхнева оболонка негайно ж потовщується і зупиниться менш проникною; одночасно інші сперматозоїди втрачають свою спрямовану активність, і незабаром по сусідству з заплідненої яйцеклітиною залишаються тільки поодинокі сперматозоїди. Те, що ці зміни пов'язані із заплідненням яйцеклітини, а не з втратою активності іншими сперматозоїдами, легко може бути доведено шляхом додавання в чашку незапліднених яйцеклітин і спостереження за їх заплідненням залишилися сперматозоїдами.
В яйцеклітину проникають лише головка сперматозоїда (яка складається майже виключно з ядерної речовини) і шийка (містить центросомний апарат). Хвостик при впровадженні сперматозоїда відпадає. У яйцеклітині ядерне речовина, що міститься в головці сперматозоїда, відразу ж втрачає свій компактний вигляд і в ньому виявляються хромосоми. У такому стані воно називається чоловічим пронуклеусом.
Зазвичай у ссавців при овогенез перший розподіл дозрівання спостерігається відразу ж після овуляції, а друге розподіл дозрівання, ймовірно, затримується до проникнення в яйцеклітину сперматозоїда. Однак як тільки сперматозоїд проникає в яйцеклітину, всі процеси швидко активуються і до моменту утворення чоловічого пронуклеуса друге розподіл дозрівання закінчується. Ядро яйцеклітини з цього моменту називається жіночим пронуклеусом.
Запліднення закінчується лише тоді, коли хромосоми чоловічого і жіночого пронуклеусов зіллються разом. Так як кожен пронуклеус містить гаплоїдний набір хромосом, в заплідненої яйцеклітини відновлюється повний диплоїдний набір хромосом, характерний для даного виду.
У період між проникненням в яйцеклітину сперматозоїда і об'єднанням хромосом обох пронуклеусов центросомний апарат, доставлений сперматозоїдом, утворює мітотичний веретено. Хромосоми в цей період готуються до першого мітотичного поділу заплідненої яйцеклітини. Цей поділ зазвичай відбувається незабаром після з'єднання пронуклеусов, але механізм його активації надзвичайно складний і його природа залишається невідомою.
Ясно, що він не обмежується тільки з'єднанням чоловічого і жіночого пронуклеусов, Так як у деяких з нижчих тварин, які мають легко доступними для експериментування гаметами, сперматозоїди можуть почати поділ в цитоплазмі яйцеклітин з віддаленими ядрами. В інших випадках сперматозоїд, ядерна речовина якого було необоротно пошкоджено променями радію, міг ще проникати в яйцеклітину і спонукати її до поділу.
Більше того, яйцеклітини багатьох нижчих тварин можуть почати розвиток в відсутність сперматозоїдів, під впливом відповідних механічних або хімічних стимулів, що було названо штучним партеногенезом. Однак, як правило, в таких випадках розвиток виявляється набагато слабше і триває недовго. Активація клітинного ділення виявляється недостатньою без наявності полноцепного сперматозоїда, необхідного для підтримки нормальної сили росту.