現代生物學家把真核細胞與原核細胞之間的鮮明差異稱作生物學上最重要的分水嶺之一。首先，真核細胞比大多數原核細胞都要大得多，前者的體寬是後者的10~100倍，所以前者的體積可能達後者的數千倍。其次，真核細胞的膜既有内生的部分，又有外圍的部分，其分隔的效果類似大房子還有不同的房間，不同的活動可以分别進行。這樣就使得專業化成為可能，即在内部實施分工，而這在原核細胞是根本不可能的。其中的一個隔斷包含細胞核，保護着真核細胞的遺傳物質。
事實上，源自希臘文的eukaryote一詞就是“殼”或“内核”的意思。有了細胞核的保護，真核細胞的DNA從遺傳的角度說就比原核細胞穩定得多。這裡可以儲存更多的遺傳物質，複制起來也更容易，所以真核細胞的遺傳部件也要多一些。這就解釋了為何真核細胞最終會比原核生物進化得更為繁盛。真核細胞内部有很多細胞器，如縮小版的心髒、肝髒和大腦等。其中最重要的是線粒體和葉綠體，有些真核生物就是利用線粒體攝取豐富的氧氣，而也有些利用葉綠體通過光合作用來攝取陽光的能量。
真核生物還具有新的信息處理和身體控制能力，這就意味着它們能夠以更複雜的方式對周圍環境的變化做出反應。單細胞真核草履蟲有對付障礙的巧妙方法。如果撞到一個，它就會後退，轉幾度，然後再次向前移動，這樣反複嘗試，就像一個不那麼靈巧的司機試圖側方泊車一樣，直到再撞不到任何東西。實際上，它正在努力辨認環境的格局，學習下一步該怎麼做。它利用周圍環境的信息來定位自己，避免危險，以尋找能量和食物。
那麼最初的真核細胞是如何進化來的呢？生物學家琳恩·馬古利斯的研究表明，真核細胞不是通過競争進化而來，而是通過融合兩種既有原核物種的特性。不同物種通過所謂共生實現合作是非常普遍的現象。如今，人類與小麥、水稻、牛、羊和許多其他物種都有着充滿活力的共生關系。不過，琳恩·馬古利斯所說的是一種更為激進的共生類型，其中曾經獨立的細菌，包括現代線粒體的祖先，卻跑到了古細菌域的細胞内部寄居。馬古利斯把這一機制稱為内共生。起初，很多人覺得馬古利斯的想法荒誕離奇，因為這與自然選擇的進化觀念頗有抵抗，不過如今，大多數生物學家接受了這一論點。
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