干细胞的不对称分裂主要有两种方式：一种方式是，细胞严格遵循不对称分裂的方式(如果蝇的卵细胞)，一个干细胞分裂后，产生一个子代干细胞和一个已分化细胞。这种分裂方式主要发生在低级动物，如单一细胞生物体及无脊椎动物。另一种不对称分裂方式则不同(主要发生于高级生物体的干细胞)，细胞分裂后产生的干细胞有多种可能，即可以是子代干细胞，也可以是定向祖细胞。干细胞与定向祖细胞之间，有着连续的“谱系”，干细胞和定向祖细胞分别居于此连续谱系的两端。多数哺乳动物的组织干细胞采用此种方式进行自我更新。这种干细胞不严格执行不对称分裂的规定，但从群体水平上看，其干细胞仍然保持着严格的不对称分裂。
尽管两者不对称分裂的机制不同，但都牵涉到多重反馈调节及细胞间相互作用机制。在特殊的生理需求下(如失血或表皮损伤)，机体将启动应对机制，促成相关干细胞进入不对称分裂状态，从而达到功能恢复。
(二)多向分化
干细胞是一群非特化(unspecialized)、无具体功能的细胞。干细胞的一个根本属性便是其不拥有任何组织特异性结构，也不产生特定的功能。也就是说，通常条件下干细胞不能像心肌细胞一样完成泵血功能，也不能像红细胞一样完成氧传递功能，更不能像神经细胞一样处理神经信号。但是，这种非特化的细胞能演变为多种特化的细胞(specialized cells)，形成相应的组织，这便是分化(differentiation)。分化是一个复杂的过程，目前尚未清楚其全部的机制。
经典的于细胞理论认为，干细胞具有向多种特化细胞分化的能力。通常，这种分化能力被认为只发生在干细胞所属组织的主体细胞类群内(不包括全能干细胞)――位于骨髓内的造血类群干细胞，在正常情况下只能产生多种血液细胞，如红细胞、白细胞及血小板，而不能形成来源部位完全不同的细胞，如中枢神经系统的神经元。但是，最近的研究认为，以上的“界限”并不是不可打破的。实验表明，骨髓内的造血干细胞除能分化为血液细胞外，还能在特定微环境下转变为神经元，肝脏来源的干细胞能转变为胰岛细胞，甚至造血干细胞可转变为心肌细胞，这便是干细胞可塑性(plasticity)的体现。
(三)干细胞分裂和分化的调控
干细胞分裂和分化的调控机制十分复杂，目前仅对其有初步的了解。干细胞启动不对称分裂的调控机制在于：由外来信号启动特定因子的自分泌过程，包括细胞不对称分裂存在的反应蛋白、控制基因表达的核内因子，干细胞与非干细胞子代细胞的染色体修饰，以及在瞬时扩增过程中控制细胞分裂周期时钟的启动因子等。
同时，干细胞的分裂和分化还受诸多外在调控因素的影响。控制干细胞发展“命运”的外在因素统称为干细胞微环境，即通常所说的生态位(niche)。对于绝对不对称分裂及群体不对称分裂的干细胞，生态位同样显得极其重要。这其中涉及干细胞与干细胞之间、干细胞与非干细胞子代细胞之间以及其与周围细胞之间复杂的近距及远程信号作用机制。主要包括多种细胞因子、细胞膜蛋白的信息介导以及整联蛋白与细胞外基质之间的相互作用。
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