胚胎细胞的性染色体为XY时，在胚胎第7～8周，生殖腺的髓质索继续生长发育，髓质不断增厚。与此同时，皮质逐渐变薄，终于成为一薄层间皮（亦即皮质消失）。间质与髓质之间的间充质于第8周分化成为一层较厚的结缔组织白膜。髓质索发育成为睾丸索（testicular cords）。它们靠近门的部分，互相连成睾丸网（rete testis）。睾丸索分化成长袢状的生精小管（seminiferous tubules），就这样生殖腺分化成为睾丸。
生精小管的发育
从胎儿期一直到青春期，生精小管都是无管腔的细胞索。它由来自原始生殖细胞的精原细胞与来自髓质索上皮的支持细胞（sertoli cell）构成。在胎儿时，支持细胞分泌抗中肾旁管激素（antimüllerian hormone，Jost X因子），抑制中肾旁管发育。靠近睾丸网部分的袢内，无精原细胞存在，分化为直细精管（tubulus rectus）。胎儿发育到第4～6个月，生精小管之间的一部分间充质分化成为间质细胞（leydig cell）。在胎儿期，间质细胞数量多，发育良好，并分泌雄激素。分泌活动将一直持续到出生时。出生后，睾丸的间质细胞减少，细胞体积变小，分泌活动处于静息状态。出生后，睾丸内仍为精原细胞。
到青春期，间质细胞继续增多增大，重新开始分泌雄激素。直到青春期生精小管才开始出现管腔。从这时起，精原细胞不断增多，并向初级精母细胞→次级精母细胞→精子细胞→分化成为精子。从传统意义上讲，精原细胞是干细胞，能自我复制。但实际上，精原细胞应分为两类：一类是祖细胞，祖细胞的分化潜能是向同宗同族的细胞方向进行；另一类则是真正意义上的干细胞，它具有多分化潜能。由于精原细胞能源源不断复制出精原细胞，使得睾丸终身不断地产生精子。
性腺的发生和分化
H-Y抗原与生殖腺的分化
H-Y抗原（H-Y antigen），又称SXS抗原，是存在于低等的鱼类到高等的哺乳动物（包括人类）异质性（heterogeneity）体细胞的一种蛋白质。由于其异配性（heterogametic sex）个体不存在H-Y抗原，因此，当H-Y抗原进入同配性个体后，同配性个体能产生与之相应的H-Y抗体。H-Y抗原一般附着在细胞膜的微球蛋白的β2M上。男性（XY）Burkitt淋巴瘤Daudi细胞，由于没有β2M，则其所以产生的H-Y抗原流入周围体液内。
有人认为，哺乳动物包括人类，Y染色体是性别决定的主要决定因子，因其携带睾丸决定因子（testis determining factor，TDF）。目前已克隆出编码H-Y抗原的基因（SMCY基因），并纯化证实了H-Y抗原为-8肽分子。
1990年，Sinclair在染色体短臂（除常染色体区外）发现一种新的基因，即锌指基因（Zine finger gene），在其远侧分离出一个新基因Py53.3（3.1Kb），称之为Y染色体性别决定区（sex-determining region of Y-chromosome，SRY）。1991年，Koopman等将SRY的14Kb的片段用微量注射技术转移至XX小鼠的受精卵，诱导了睾丸的分化，因此认为SRY就是睾丸决定因子。
SRY基因编号的蛋白质含有与DNA结合的模体，称为HMG盒。HMG盒存在于转录因子中。SRY蛋白的HMG盒与特定的DNA序列结合，表明它在睾丸发育过程中调控着基因的表达。现已知，与HMG含有60%同源性的基因，称为SOX基因。也已知SOX基因含有若干个亚家族成员。在每一个亚家族成员中，HMG区域内的氨基酸序列有90%以上的同源性。SOX1、SOX2、SOX3、SOX9、SOX11在神经组织中高水平表达；SOX2在鸡胚的晶状体和肠上皮细胞中表达；SOX9在软骨组织和性腺中表达。因为SOX9基因的表达紧接着睾丸支持细胞分化之后，这一点与SOX9在性别决定中的作用是一致的，提示SOX9与哺乳类动物的性别决定有关。
现已明确的是人类的SOX9基因被定位在
区域内。有结果显示，SRY基因是由SOX3基因进化而来。而COLzal的表达直接受SOX9的基因调控。即SOX9是SRY基因的下游基因。
性别发育中，有两种物质与睾丸的发育有很大关系，一种是副中肾抑制因子；另一种是睾酮。副中肾抑制因子的作用是促进副中肾管萎缩，阻止男性输卵管和子宫的发育形成，而睾酮则是诱导睾丸的形成。两者协调表达，从而保证了男性性别发育的正常进行。
WT1是哺乳动物未分化性腺的发生和睾丸发育过程不可欠缺的基因。Denys-Drash和Frasier综合征患者中的WT1发生突变，此种病例表现为泌尿-生殖系统发育异常，以及XY性逆转。SF1 （steroidogenic factor 1）是一个孤核受体（orphan nuclear receptor），并有一个含有两个高度保守的锌指结构的DNA结合域。若SF1发生突变，胎儿会是XY性腺发育不全，同时患有肾衰竭。
