初级精母细胞移到精原细胞内侧，细胞呈圆形，体积较精原细胞大，直径约18微米。细胞核大而圆，呈丝球状，内含或粗或细的染色质丝。初级精母细胞由精原细胞增殖、分化而成，染色体数目与精原细胞一致，仍为46条（核型为46，XY）。初级精母细胞完成DNA复制后，开始进入减数第一次分裂，但在青春期到来之前，初级精母细胞进行的减数第一次分裂并没有完成。

青春期后，睾丸分泌的雄激素和腺垂体分泌的卵泡刺激素逐渐增加，在这些激素的作用下，初级精母细胞的减数第一次分裂才得以完成。在减数第一次分裂过程中，初级精母细胞的染色体发生一系列动态变化。在分裂前期，同源染色体联会形成四分体，同源染色体的非姐妹染色单体之间发生片段交换。在分裂中期，同源染色体着丝点对称排列在赤道板两侧，分裂后期同源染色体随纺锤丝牵引向细胞两极移动，同源染色体彼此分离，非同源染色体自由组合，最终一个初级精母细胞分裂为两个次级精母细胞，染色体数目减半，即每个次级精母细胞含有22条常染色体和1条性染色体（核型为23，X或23，Y）。

在减数第一次分裂过程中，分裂前期历时较长，因此在生精小管的切片中可见到处于不同分裂时期的初级精母细胞。

值得注意的是，在减数第一次分裂过程中，来自父母双方的染色体发生了2次交换：一次是分裂前期联会后的交换，另一次是分裂后期父源和母源染色体随机组合后移向两级，使子代细胞含有重组后父母双方的遗传信息，而不是拷贝单一亲代，保证了生物的多样性。