La fase M comprende la mitosis o cariocinesis, que reparte el material genético, y la citocinesis, que divide el citoplasma. La mitosis consta de cuatro etapas:

En la profase la cromatina se condensa y aparecen los cromosomas, cada uno con sus dos cromátidas unidas por el centrómero. El nucléolo desaparece, la envoltura nuclear se desintegra y los centrosomas, ya duplicados, migran a polos opuestos organizando entre ellos el huso acromático.
En la metafase los microtúbulos del huso se anclan a los cinetocoros y, tirando desde ambos polos, sitúan los cromosomas en el plano ecuatorial, donde forman la placa metafásica. Es el momento de máxima condensación.
En la anafase se rompe la cohesión entre las cromátidas hermanas, que se separan y migran hacia polos opuestos arrastradas por el acortamiento de los microtúbulos cinetocóricos. Cada cromátida se convierte así en un cromosoma independiente, y cada polo recibe una dotación completa.
En la telofase los cromosomas llegan a los polos y comienzan a descondensarse, se rehace la envoltura nuclear alrededor de cada grupo, reaparecen los nucléolos y el huso se desorganiza. La célula tiene ya dos núcleos.
La citocinesis es la división del citoplasma, que reparte también los orgánulos entre las dos células hijas. No forma parte de la mitosis propiamente dicha: comienza al final de la anafase y transcurre solapada con la telofase, a la que sigue y con la que concluye la fase M.
Sí muestra diferencias entre unas células y otras, y la causa es la presencia o ausencia de pared celular.
En la célula animal se produce por estrangulación. Bajo la membrana, en el plano ecuatorial, se forma un anillo contráctil de actina y miosina que se contrae progresivamente y hace aparecer un surco de división cada vez más profundo, hasta separar las dos mitades. Es un proceso centrípeto, de fuera hacia dentro.
En la célula vegetal la rigidez de la pared impide cualquier estrangulamiento, de modo que la separación se hace por tabicación. Vesículas procedentes del aparato de Golgi, cargadas con precursores de la pared, se alinean en el plano ecuatorial y se fusionan formando la placa celular, que crece desde el centro hacia la periferia hasta soldarse con la pared lateral. Es un proceso centrífugo, y en él quedan atrapados los plasmodesmos que comunicarán a las dos células hijas.