Sự tự nhân đôi của nhiễm sắc thể diễn ra trong chu kỳ S của chu kỳ tế bào, trong quá trình gọi là tự nhân đôi ADN. Chu kỳ S (S-phase) là một trong các giai đoạn của chu kỳ tế bào, bao gồm cả giai đoạn G1 (một giai đoạn nghỉ trước khi ADN được nhân đôi), chu kỳ S (tự nhân đôi ADN), G2 (một giai đoạn nghỉ sau khi ADN đã được nhân đôi), và giai đoạn M (mitosis hoặc meiosis, phân chia tế bào).

Trong giai đoạn S, mỗi chuỗi ADN của một nhiễm sắc thể được nhân đôi thông qua quá trình sao chép. Khi chu kỳ S kết thúc, mỗi nhiễm sắc thể sẽ có hai bản sao đầy đủ của nó, tạo ra một bộ đôi nhiễm sắc thể sẵn sàng để tham gia vào quá trình mitosis hoặc meiosis.