细胞周期S期是细胞周期中DNA合成阶段，又称DNA合成期，主要完成DNA复制、转录活动及相关蛋白质合成，其功能活跃度在细胞周期中最为显著。该时期DNA复制需SPF启动信号，且仅处于感受状态的染色质DNA可启动复制过程。S期DNA遵循复制顺序：常染色质及富含CG区域优先复制，异染色质和富含A-T区域随后复制。

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。