En los animales, el sexo de los individuos suele determinarse en el momento en que el espermatozoide realiza la fecundación; los cromosomas sexuales son los que determinan el sexo y los caracteres ligados al sexo; el resto de los cromosomas reciben el nombre de autosomas. En la especie humana (y en muchos otros animales) el sexo masculino o sexo heterogamético tiene los cromosomas sexuales distintos (XY), mientras que el sexo femenino u sexo homogamético presenta dos cromosomas iguales (XX). El par masculino XY se segrega en la meiosis de manera que la mitad de los espermatozoides lleva el cromosoma X y la otra mitad lleva el cromosoma Y. Por el contrario, todos los óvulos llevan el cromosoma X. De esta manera el sexo viene determinado por la clase de espermatozoide que fecunda el óvulo; si el espermatozoide porta un cromosoma Y el descendiente será un macho, mientras que si el espermatozoide porta un cromosoma X la descendiente será una hembra (véase genética).

Sin embargo, este no es el único tipo de determinación del sexo; en otros animales, como muchos insectos, falta el cromosoma Y de manera que las hembras tienen 2 cromosomas X (XX) y los machos sólo tienen 1 cromosoma X (XO). Cuando el espermatozoide que fecunda al óvulo tiene el cromosoma X la descendencia será una hembra y si el espermatozoide que fecunda al óvulo carece de cromosoma accesorio la descendencia será un macho. En las aves y mariposas diurnas y nocturnas los cromosomas sexuales se denominan Z y W: los machos son ZZ y las hembras ZW. En este caso hay dos clases de óvulos y solamente una de espermatozoides. En otros casos la determinación del sexo puede estar relacionada con distintas condiciones ambientales.

El término características sexuales primarias, hace referencia a las gónadas o órganos que producen los gametos: los ovarios producen óvulos o huevos en las hembras y los testículos producen espermatozoides en los machos.
El término características sexuales secundarias, indica todas las demás diferencias sexuales que juegan un papel indirecto en la unión del espermatozoide con el óvulo. Las características sexuales secundarias abarcan desde las estructuras especializadas del aparato genital tanto masculino como femenino, hasta el brillante plumaje de los machos de ciertas aves, o el pelo facial en los humanos; también lo son ciertas facetas de la conducta como el cortejo.

En general, cuanto más adelantada en la evolución está una especie, tanto más elaboradas son sus características sexuales secundarias; por ejemplo, en el momento en que madura el huevo de la estrella de mar, el macho sólo tiene que liberar grandes cantidades de esperma en el agua y un número pequeñísimo, pero suficiente, de estas células sexuales masculinas encuentra y fecunda los huevos distantes. Las ranas y los sapos atraen a las parejas a través de llamadas y realizan sus puestas de huevos en el agua; el macho y la hembra hacen coincidir sus cloacas y el esperma es lanzado al exterior de forma simultánea con la salida de los huevos. Los animales terrestres, en particular los mamíferos, no disponen de un medio acuático que facilite la difusión de su esperma; por este motivo, dependen de las manadas y agrupaciones en las que viven, de las ceremonias de cortejo que realizan, de la competencia entre machos, así como de unos genitales más especializados, como penes eréctiles, o trompas de Falopio y un útero, en éstos dos últimos, se fecundan y se desarrollan los huevos, respectivamente.