同卵双胞胎的形成过程和异卵双胞胎有所差异。若是单一受精卵因为不明原因而分裂成两个并独自发育成胚胎，则称为同卵双胞胎。他们最初是由单一卵子受精，形成胚胎，胚胎在发育期间才偶然分裂成两个胚胎，所以他们的遗传基因及性别是完全相同。因为基因相同，除了某些由于随机原因而产生的特征（例如指纹和虹纹等）之外先天上两个个体性状完全相同，因此同卵双胞胎的在外观上非常接近。同卵双胞胎的形成过程为：
和所有胎儿一样，同卵双胞胎最开始也是个单细胞受精卵，这个细胞内有23对染色体。其中有一种罕见的现象，在受孕数天后，胚泡自行一分为二，每个新胚泡是由相同的染色体构成，染色体携带了排列相同的基因，这时两个胚泡可能发育成同卵双胞胎。
胚泡的外膜叫做透明带，里面的衬里叫滋养层，仅有一个细胞层厚的滋养层，最后将会变成胎盘。滋养层里有内细胞群，这些配套干细胞最终会变成胎儿。有些细胞与滋养层膜的结合处会定期变弱，令液体得以渗出，导致滋养层塌陷，接着滋养层会自行修复。但有两个卵子让胚胎学家看见，不曾有人见过的情形，膜塌陷之后，内细胞群分成两团，每一团会在滋养层再次膨胀时，分别附着在滋养层的不同侧，这些细胞团，若能在子宫内发育，它们最后就会变成同卵双胞胎。
受精后，受精卵分裂变为2个一样的受精卵了，然后发育成为2个个体，因为来源自同一个受精卵，所以叫同卵双胞胎。这种相似不仅外形相似，而且血型、智力、甚至某些生理特征，对疾病的易感性等都很一致。我们常说的连体婴儿，实际上就是这种单卵双胎，只是由于当初受精卵分裂时的不完全的造成了某些部位相连。也因为如此同卵双胞胎绝大部分是同性，不大可能出现一个是男孩一个是女孩的现象。
双胞胎根据受精卵是否相同分为同卵双胞胎和异卵双胞胎。双胞胎怀孕当中，由同—个卵分裂而成的，称为同卵双胞胎，大约占所有双胞胎的1/3；由两个不同的卵发育成的双胞胎，则称为异卵性双胞胎，约占2/3。
同卵双胞胎是有一个卵子受精而来，一般胎儿的性别是一样的。在受精卵分裂时，发生了卵裂（有丝分裂），即一个受精卵在发育初期分裂成两个完全相同的子细胞（胚胎）。两个胎儿可以在一个羊膜腔内。这种情况下，两个胎儿活动时常可导 致脐带缠绕，有可能会影响胎儿发育。
异卵双胞胎是由两个卵子分别受精而来，可能是都是男宝宝或者女宝宝，也可能是一男一女的龙凤胎。 因某种原因同时排出两个卵子并同时受精，就产生了两个不同的受精卵。这两个受精卵各有自己的一套胎盘，因此两个个体差异很大。
异卵性双胞胎与家族遗传（尤其是母系遗传）、人种（黑人较多）、母亲年龄较大者、生产次数较多者有关，而同卵性双胞胎则与上述因素无关，纯粹是偶然发生的现象。最近医学界在治疗不孕症时，往往使用排卵促进剂，因而常会排出两个以上的卵子，所以双胞胎、三胞胎的情形屡有所闻。
同卵双胞胎一般在怀孕13周左右做B超可以查出，而异卵双胞胎查出的时间会早一些，一般在怀孕7-8周左右可以通过B超查出。一般情况下，怀孕45天以后做B超可以检测出来是否怀的双胞胎。B超检查可早在妊娠7-8周可见两个妊娠囊，13周后可清楚显示两个胎头光环，并可见到各自相应的脊柱、躯干、肢体等。
同卵双胞胎DNA一样吗？理论上，同卵双胞胎的DNA是一样的，但由于环境的影响，同卵双胞胎长大后，细胞核中的DNA基本是相同的，但细胞质中的DNA，也就是存在于线粒体内的DNA在数量上可能会存在一些差别。同卵双胞胎或许并不是完全一致的。
有科学家指出，同卵双胞胎的基因编码是相同的，但在同卵双胞胎的多年成长过程中，他们在基因的表达上是不同的。这不是指他们的基因编码发生了变化，而是出生后的人体化学变化造成基因的表达有异。
2012年11月，在美国人类遗传学协会的会议上提出，虽然同卵双胞胎可能共享他们全部的DNA，但他们在发育早期会出现数百种基因变化，这些变化让他们向不同的方向发展。这或许能够部分解答为什么一个双胞胎患上癌症而另外一个能够保持健康。这项研究也表明这些基因变化出人意料的普遍存在。麦吉尔大学的流行病学专家同时也是这项研究提出者Rui Li说道：“这种情况并非同人们之前认为的那样罕见。”
同卵双胞胎的性格特点可能比较相似，但是也可能有很大差别。影响同卵双胞胎性格差异主要是后天的生活和习惯。在1930年代，美国做过一个相当大规模的研究，就是福利机构把收养到的同卵双胞胎的孩子送给差别较大的家庭收养，目的是看同卵双胞胎在完全不同的环境中，但是结果显示，经过这样大差别的成长环境后，他们任由相同或者是相似的经历。这就表明了决定人性格的 50%的因素是先天遗传基因。而如果导致同卵双胞胎的孩子成长后性格不同的话，也是有一定的原因的。
同卵双胞胎在出生时具有完全相同的基因，科学家们经过长期思考认为，敏感的环境因素似乎能够确定是否双胞胎随着长大开始表现出差异。年轻的双胞胎具有几乎同样的遗传外形，但他们的基因特性却随着年龄的增长变得越来越不同。随着年龄的增长，已经个人情感经历等的不同，这样先天具有相同性格的同卵双胞胎的在后天的改变下也会变得不一样。