同卵雙胞胎的形成過程和異卵雙胞胎有所差異。若是單一受精卵因為不明原因而分裂成兩個并獨自發育成胚胎，則稱為同卵雙胞胎。他們最初是由單一卵子受精，形成胚胎，胚胎在發育期間才偶然分裂成兩個胚胎，所以他們的遺傳基因及性別是完全相同。因為基因相同，除了某些由于隨機原因而產生的特征（例如指紋和虹紋等）之外先天上兩個個體性狀完全相同，因此同卵雙胞胎的在外觀上非常接近。同卵雙胞胎的形成過程為：

和所有胎兒一樣，同卵雙胞胎最開始也是個單細胞受精卵，這個細胞內有23對染色體。其中有一種罕見的現象，在受孕數天后，胚泡自行一分為二，每個新胚泡是由相同的染色體構成，染色體攜帶了排列相同的基因，這時兩個胚泡可能發育成同卵雙胞胎。

胚泡的外膜叫做透明帶，里面的襯里叫滋養層，僅有一個細胞層厚的滋養層，最后將會變成胎盤。滋養層里有內細胞群，這些配套干細胞最終會變成胎兒。有些細胞與滋養層膜的結合處會定期變弱，令液體得以滲出，導致滋養層塌陷，接著滋養層會自行修復。但有兩個卵子讓胚胎學家看見，不曾有人見過的情形，膜塌陷之后，內細胞群分成兩團，每一團會在滋養層再次膨脹時，分別附著在滋養層的不同側，這些細胞團，若能在子宮內發育，它們最后就會變成同卵雙胞胎。

受精后，受精卵分裂變為2個一樣的受精卵了，然后發育成為2個個體，因為來源自同一個受精卵，所以叫同卵雙胞胎。這種相似不僅外形相似，而且血型、智力、甚至某些生理特征，對疾病的易感性等都很一致。我們常說的連體嬰兒，實際上就是這種單卵雙胎，只是由于當初受精卵分裂時的不完全的造成了某些部位相連。也因為如此同卵雙胞胎絕大部分是同性，不大可能出現一個是男孩一個是女孩的現象。

同卵雙胞胎一般在懷孕13周左右做B超可以查出，而異卵雙胞胎查出的時間會早一些，一般在懷孕7-8周左右可以通過B超查出。一般情況下，懷孕45天以后做B超可以檢測出來是否懷的雙胞胎。B超檢查可早在妊娠7-8周可見兩個妊娠囊，13周后可清楚顯示兩個胎頭光環，并可見到各自相應的脊柱、軀干、肢體等。

同卵雙胞胎DNA一樣嗎？理論上，同卵雙胞胎的DNA是一樣的，但由于環境的影響，同卵雙胞胎長大后，細胞核中的DNA基本是相同的，但細胞質中的DNA，也就是存在于線粒體內的DNA在數量上可能會存在一些差別。同卵雙胞胎或許并不是完全一致的。

有科學家指出，同卵雙胞胎的基因編碼是相同的，但在同卵雙胞胎的多年成長過程中，他們在基因的表達上是不同的。這不是指他們的基因編碼發生了變化，而是出生后的人體化學變化造成基因的表達有異。

2012年11月，在美國人類遺傳學協會的會議上提出，雖然同卵雙胞胎可能共享他們全部的DNA，但他們在發育早期會出現數百種基因變化，這些變化讓他們向不同的方向發展。這或許能夠部分解答為什么一個雙胞胎患上癌癥而另外一個能夠保持健康。這項研究也表明這些基因變化出人意料的普遍存在。麥吉爾大學的流行病學專家同時也是這項研究提出者Rui Li說道：“這種情況并非同人們之前認為的那樣罕見。”

同卵雙胞胎的性格特點可能比較相似，但是也可能有很大差別。影響同卵雙胞胎性格差異主要是后天的生活和習慣。在1930年代，美國做過一個相當大規模的研究，就是福利機構把收養到的同卵雙胞胎的孩子送給差別較大的家庭收養，目的是看同卵雙胞胎在完全不同的環境中，但是結果顯示，經過這樣大差別的成長環境后，他們任由相同或者是相似的經歷。這就表明了決定人性格的 50%的因素是先天遺傳基因。而如果導致同卵雙胞胎的孩子成長后性格不同的話，也是有一定的原因的。

同卵雙胞胎在出生時具有完全相同的基因，科學家們經過長期思考認為，敏感的環境因素似乎能夠確定是否雙胞胎隨著長大開始表現出差異。年輕的雙胞胎具有幾乎同樣的遺傳外形，但他們的基因特性卻隨著年齡的增長變得越來越不同。隨著年齡的增長，已經個人情感經歷等的不同，這樣先天具有相同性格的同卵雙胞胎的在后天的改變下也會變得不一樣。

雙胞胎根據受精卵是否相同分為同卵雙胞胎和異卵雙胞胎。雙胞胎懷孕當中，由同—個卵分裂而成的，稱為同卵雙胞胎，大約占所有雙胞胎的1/3；由兩個不同的卵發育成的雙胞胎，則稱為異卵性雙胞胎，約占2/3。

同卵雙胞胎是有一個卵子受精而來，一般胎兒的性別是一樣的。在受精卵分裂時，發生了卵裂（有絲分裂），即一個受精卵在發育初期分裂成兩個完全相同的子細胞（胚胎）。兩個胎兒可以在一個羊膜腔內。這種情況下，兩個胎兒活動時常可導 致臍帶纏繞，有可能會影響胎兒發育。

異卵雙胞胎是由兩個卵子分別受精而來，可能是都是男寶寶或者女寶寶，也可能是一男一女的龍鳳胎。 因某種原因同時排出兩個卵子并同時受精，就產生了兩個不同的受精卵。這兩個受精卵各有自己的一套胎盤，因此兩個個體差異很大。

異卵性雙胞胎與家族遺傳（尤其是母系遺傳）、人種（黑人較多）、母親年齡較大者、生產次數較多者有關，而同卵性雙胞胎則與上述因素無關，純粹是偶然發生的現象。最近醫學界在治療不孕癥時，往往使用排卵促進劑，因而常會排出兩個以上的卵子，所以雙胞胎、三胞胎的情形屢有所聞。