Thụ tinh không đơn thuần là sự kết hợp giữa tinh trùng và trứng, mà là một quá trình sinh học phức tạp bao gồm nhiều giai đoạn để hình thành hợp tử (2n) có bản chất hoàn toàn mới. Cá thể mới được hình thành từ hợp tử khác bố mẹ, song vẫn giữ được những tính trạng nào đó đặc thù của cả bố và mẹ. Nó là kết quả của sự tái tổ hợp các gen từ hai nguồn gen khác nhau.
Ở gia súc quá trình thụ tinh xảy ra qua ba giai đoạn:
- Giai đoạn phá vỡ vành phóng xạ: Tế bào trứng sau khi rụng được bao bởi lớp tế bào hạt ở ngoài, gọi là vành phóng xạ (vì nó xếp theo hình phóng xạ) để bảo vệ trứng, vành này khá bền vững, nó là trở ngại lớn nhất cho tinh trùng khi vào gặp trứng, tiếp đó là màng trong suốt và màng noãn hoàng.
Các tế bào hạt của vành phóng xạ được liên kết với nhau bởi axit hyaluronic. Khi tiếp xúc với vành phóng xạ, tinh trùng tiết ra men hyaluronidaza để phân giải axit hyaluronic làm tan vỡ vành phóng xạ, tạo cơ hội cho tinh trùng đi sâu vào bên trong. Để phá vỡ vành phóng xạ phải cần tới nhiều tinh trùng vì một tinh trùng lượng men ít không đủ để công phá. Men hyaluronidaza không đặc thù cho loài, nói cách khác là tinh trùng của loài gia súc nào cũng chứa men này và đều có khả năng phá vỡ được vành phóng xạ. Sẽ có hai trường hợp xảy ra là: nếu số tinh trùng vào được tới vành phóng xạ ít thì không đủ men để công phá nó. Còn nếu quá nhiều thì không phá vành phóng xạ mà nó còn phá luôn cả tế bào trứng. Do vậy để phối giống có hiệu quả cần có một lượng tinh trùng nhất định mới có thể thực hiện được. Lượng tinh trùng quá nhiều hoặc quá ít đều làm giảm tỷ lệ thụ tinh.
-Giai đoạn tinh trùng xâm nhập vào tế bào trứng: Sau khi phá vỡ vành phóng xạ, tinh trùng bắt đầu xâm nhập vào tế bào trứng. Tuy nhiên đối với tinh trùng còn gặp phải hai trở ngại nữa là màng trong suốt và màng noãn hoàng. Nhìn chung chỉ những tinh trùng cùng loại hoặc gần loại mới có thể đi vào được tế bào trứng, nói cách khác là màng trứng có sự chọn lọc khi tiếp nhận tinh trùng, điều này có ý nghĩa sinh học vì nó tránh được sự tạp giao giữa các loài. Người ta thấy rằng chỉ một số (vài chục tinh trùng) xuyên qua màng trong suốt. Trong số đó chỉ có một tinh trùng có khả năng lọt được màng noãn hoàng vào gặp trứng.
Như vậy để vào gặp trứng thực hiện quá trình thụ tinh, tinh trùng đã phải vượt qua hai chặng đường đầy khó khăn là: từ địa điểm phóng tinh tới ống dẫn trứng, phần lớn tinh trùng đã bị chết trên đường đi vào. Vào chặng đường thứ hai phá vành phóng xạ và vào gặp tế bào trứng, tất cả đã bị chết trừ một tinh trùng duy nhất còn đủ sức sống để vào gặp trứng. Đây là một quá trình chọn lọc sinh học tất yếu vì chỉ có một trứng hoặc một số ít trứng rụng trong khi đó số lượng tinh trùng là hàng triệu thậm chí hàng tỷ. Qua quá trình chọn lọc đó rõ ràng chỉ tinh trùng nào đạt chất lượng nhất mới có thể tới kết hợp với trứng được.
-Giai đoạn đồng hóa mâu thuẫn giữa tinh trùng và trứng
Sau khi vào được tế bào trứng, đầu tinh trùng tách ra khỏi cổ và đuôi. Nó tiến hành đồng hóa nguyên sinh chất của trứng để gia tăng kích thước và thể tích, tạo ra sự tương đồng với trứng. Phần cổ đuôi cũng như những tinh trùng khác ở phía ngoài không lọt được vào trứng sẽ chết và được phân hủy làm chất dinh dưỡng cho trứng và tinh trùng duy nhất còn lại. Quá trình đống hóa mâu thuẫn giữa trứng và tinh trùng là một quá trình sinh học có ý nghãi lớn. Đồng hóa mâu thuẫn càng cao thì khả năng thụ tinh càng lớn, bào thai có điều kiện phát triển mạnh và đàn con sẽ tốt.
-Sự kết hợp giữa nhân tinh trùng và nhân trứng là một quá trình sinh học phức tạp, nhân tinh trùng và nhân trứng đồng hóa lẫn nhau, tái tổ hợp để hình thành nên hợp tử (2n). Cường độ chuyển hóa của hợp tử xảy ra rất mạnh, nó tiêu hao nhiều oxy và năng lượng. Càng xa huyết thống bao nhiêu quá trình đồng hóa mâu thuẫn càng cao bấy nhiêu.
Người ta thấy rằng những cá thể khác giống được sống trong những điều kiện khác nhau, khi thụ tinh quá trình đồng hóa mâu thuẫn càng cao thì chất lượng của hợp tử càng tốt. Đó chính là cơ sở của ưu thế lai trong nhân giống và chọn giống gia súc.
Ngoài ra các yếu tố của môi trường cũng ảnh hưởng tới kết quả thụ tinh như:
-Nhiệt độ: Nhiệt độ cao là yếu tố ảnh hưởng rõ rệt nhất đến thụ tinh.
-Dinh dưỡng: Dinh dưỡng tốt thì sức sống của tinh trùng và trứng cũng tốt vì vậy tỷ lệ thụ thai cao.
-Thời điểm phối giống: Phối giống quá sớm thì tinh trùng phải nằm lâu trong đường sinh dục cái, giảm sức sống, phối giống muộn thì trứng chờ lâu cũng giảm sức sống. Trạng thái sức khỏe và sự tương đồng đực cái khi gặp gỡ giao phối (bố mẹ khỏe, con khỏe).
Sau khi hợp tử hình thành 3-4 ngày, nó sống ở ống dẫn trứng để tiếp tục phát triển nhờ chất dinh dưỡng của noãn hoàng và chất tiết ống dẫn trứng. Vì trong giai đoạn sau khi trứng rụng vài ngày môi trường tử cung vẫn chưa có sự thay đổi để thích hợp cho hợp tử sống và hình thành bào thai. Thể vàng hình thành tiết progesteron, hormone này kích thích sự tế chiết dịch tử cung “Sữa tử cung” của màng nhầy tử cung. Lúc đó hợp tử mới di động từ ống dẫn trứng xuống tử cung. Người ta cho rằng quá trình di động này chịu ảnh hưởng của ostrogen từ các nang trứng phát triển muộn.
Ở tử cung hợp tử sử dụng sữa tử cung và một phần chất tiết ống dẫn trứng làm nguồn dinh dưỡng để sống và phát triển. Ở gia súc, quá trình “làm tổ” (quá trình hợp tử gắn vào tử cung) xảy ra 2-5 tuần sau khi thụ tinh. Ở động vật đa thai như lợn tới 30 ngày sau khi thụ tinh số phôi mới cố định (trước đó vẫn xảy ra hiện tượng chết phôi). Điều đó giải quyết được mâu thuẫn giữa số trứng rụng nhiều 17-18 trứng với khả năng cho phép chứa bào thai là 12 con./.