染色體不分離（Nondisjunction）是指生物細胞分裂時，同源染色體或姊妹染色體未能成功分離的現象，由美國遺傳學家和托马斯·亨特·摩尔根於1910年在黑腹果蠅細胞的性染色體上發現。染色體不分離包括第一次減數分裂時同源染色體不分離、第二次減數分裂時姊妹染色體不分離、以及有絲分裂時姊妹染色體不分離等三種情形。
染色體不分離會造成子細胞成為非整倍體，即多出一條染色體或（2n+1）或失去一條染色體（2n-1）；已知的（細胞僅有1條該對染色體）則僅有透納氏症一種，相較之下精母細胞則會快速地完成整個減數分裂流程；另外精母細胞減數分裂時發生染色體互換的頻率高於卵母細胞，人類卵母細胞有超過10%有至少一對同源染色分體在聯會過程中沒有發生互換，而缺乏互換是造成染色體不分離的原因之一。有些物質（）可以促使細胞分裂時發生染色體不分離的現象，菸草即為一種非整倍体诱变剂，因此吸菸會提升染色體不分離的機率；另有研究顯示酒精、苯、氰戊菊酯、甲萘威等物質可能也是非整倍体诱变剂。
為避免細胞分裂時染色體不分離，細胞週期中有（SAC）以確保細胞中染色體均與紡錘體連接妥當後才活化（APC），使細胞分裂進入。
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