S期又称为DNA合成期，主要还是通过显微镜试验观察，从DNA合成开始到DNA合成结束的整个时期，来进行计算即可。

用细胞融合的方法，将Gi期的细胞与S期细胞融合形成杂种细胞，可见G₁期细胞提前进入S期，说明S期细胞质中含有促进G₁期细胞进入DNA合成的启动因子。DNA复制有一定的顺序。一般常染色质和富含CG的碱基片段先复制，异染色质和富含A-T的碱基片段后复制。蛋白质合成比较活跃。在G1期晚期开始合成的DNA复制所需的酶和蛋白，进入S期后活性提高并参与DNA的合成。大量新合成的蛋白质迅速通过核孔进入细胞核，DNA聚合酶等参与DNA的合成，组蛋白、非组蛋白与新合成的DNA组装成新的核小体。