W skład organizmów wielokomórkowych wchodzi zwykle między 1010  a 1014 komórek reprezentujących od 200 do 2000 fenotypów (w zależności od gatunku, etapu rozwoju osobniczego i definicji "fenotypu"), a ich hodowla w warunkach in vitro stała się narzędziem badawczym rutynowo stosowanym w podstawowych badaniach cytofizjologicznych i biochemicznych. Ogromna liczba komercyjnie dostępnych ustalonych linii ludzkich i zwierzęcych komórek nowotworowych lub prawidłowych umożliwia ich długotrwałe namnażanie i wykorzystanie do doświadczeń. Czasami pojawia się jednak konieczność hodowli komórek, które nie są dostępne komercyjnie. W takiej sytuacji pozyskuje się pożądane typy komórek na drodze ich izolacji z tkanki i wyprowadzenia hodowli wtórnej z hodowli pierwotnej (często uzyskując tzw. linię komórkową). Opracowano dotychczas szereg procedur opisanych i opublikowanych w formie protokołów umożliwiających wydajną izolację, oczyszczanie, inkubację oraz ewentualnie namnażanie praktycznie wszystkich typów komórek, w tym: nabłonkowych (np. keratynocytów), mięśniowych (np. kardiomiocytów) lub prekursorów komórek mięśniowych (np. mioblastów), łącznotkankowych (np. fibroblastów, chondrocytów, komórek krwi) i komórek układu nerwowego (np. astrocytów). Doświadczenia prowadzone w oparciu o komórki pochodzące bezpośrednio z hodowli pierwotnych umożliwiają przeprowadzenie badań z wykorzystaniem komórek pozbawionych potencjału proliferacyjnego (np. neuronów i kardiomiocytów) w ściśle zdefiniowanych warunkach. Ponadto hodowle pierwotne zawierają materiał biologiczny o niezmienionych cechach fenotypowych i genotypowych, przez co łatwiej odnieść ich reakcje do reakcji komórek występujących in vivo.

Ponieważ komórki izolowane z organizmów wielokomórkowych nie są zdolne do samodzielnego funkcjonowania, konieczne jest spełnienie szeregu warunków, aby zabezpieczyć ich dobrostan in vitro. Warunki te obejmują: dobranie odpowiedniego podłoża hodowlanego (rodzaj naczyń hodowlanych), pożywki hodowlanej, zastosowanie atmosfery z wysoką zawartością CO₂, a także odpowiedniej temperatury. Obecnie istnieje co najmniej kilkaset typów dostępnych komercyjne pożywek hodowlanych produkowanych przez kilkunastu światowych potentatów na tym rynku, a typ pożywki należy zawsze dobierać do typu komórek, które znajdują się w hodowli. Ważną kwestią pozostaje również dobór odpowiedniej surowicy (która jako niezdefiniowany składnik pożywki stanowi źródło wielu witamin, białek, hormonów w hodowli), a także innych suplementów, niezbędnych do zachowania w hodowli odpowiedniego fenotypu komórek. Nie jest bowiem zaskakujące, że komórki, które funkcjonują w bardzo różnych niszach in vivo, mają różne wymagania hodowlane. Szeroki wachlarz możliwości wyboru istnieje także na rynku naczyń hodowlanych (rozmiar, kształt, typ plastiku, obecność lub brak dodatkowych powłok, pięter, filtrów etc.). Szczególnie istotne jest zapewnienie sterylności mikrobiologicznej otoczenia komórek dzięki odpowiedniej infrastrukturze pracowni. Tworzą ją autoklawy pozwalające na sterylizację naczyń i narzędzi hodowlanych (lub fabrycznie nowe, sterylizowane i jednorazowe narzędzia/naczynia) oraz komory z laminarnym przepływem powietrza, pozwalające na pracę w sterylnym środowisku dzięki filtracji powietrza poprzez filtry HEPA (ang. High Efficiency Particulate Air Filter). Kluczowy jest także dostęp do sterylnych pożywek (zwykle dostępnych komercyjnie) lub sprzętu pozwalającego na ich filtrację. O ile warunki eksperymentu na to pozwalają, dodatkową ochronę dla utrzymania sterylności hodowli mogą stanowić dodawane do pożywek hodowlanych roztwory antybiotyków lub środków przeciwgrzybiczych. Kluczowym elementem utrzymania sterylności podczas pracy z hodowlami komórkowymi pozostaje także odpowiednia praktyka laboratoryjna, obejmująca w szczególności zawracanie uwagi na konieczność dezynfekcji powierzchni i sprzętu oraz utrzymanie odpowiedniego poziomu higieny pracy sterylnej przez personel zajmujący się hodowlami komórek in vitro.

Namnażanie komórek w sterylnej hodowli in vitro możliwe jest dzięki aktywności mitotycznej komórek. Wykorzystując techniki pasażowania, hodowle komórkowe można przenosić do kolejnych naczyń hodowlanych z jednoczesną redukcją ich gęstości. Dzięki temu w krótkim czasie (zazwyczaj w ciągu kilku tygodni hodowli) z jednego naczynia hodowlanego z komórkami możliwe jest uzyskanie bardzo dużej liczby komórek, hodowanych w nawet kilkudziesięciu lub kilkuset naczyniach hodowlanych. Oczywiście taka praktyka ma sens wyłącznie wtedy, gdy istnieje zapotrzebowanie na dużą ilość jednorodnego materiału biologicznego do wykorzystania w serii eksperymentów lub praktyce klinicznej (patrz: Aplikacja kliniczna komórek). Nadmiar komórek zazwyczaj zabezpiecza się w postaci odpowiednio przygotowanego i zabezpieczonego biobanku, który w odpowiednich probówkach przechowuje się w zamrażarkach niskotemperaturowych lub ciekłym azocie. W warunkach ciekłego azotu lub par ciekłego azotu (poniżej temp. -140°C) czas biologiczny praktycznie „ustaje”, dzięki czemu możliwe jest zabezpieczenie zamrożonych komórek na długie lata i wykorzystanie ich w bliższej lub dalszej przyszłości po rozmrożeniu (potocznie: odbankowaniu). 

O ile w przypadku linii komórek nowotworowych lub unieśmiertelnionych komórek prawidłowych możliwa jest nieograniczona liczba podziałów mitotycznych, o tyle w przypadku prawidłowych komórek pozostających w hodowli pierwotnej ich aktywność proliferacyjna nie jest nieograniczona. Uważa się, że komórki prawidłowe zwykle zdolne są do ograniczonej (<50) liczby podziałów, co powoduje, że takie szczepy z czasem wyczerpują swój potencjał proliferacyjny. Należy pamiętać, że długotrwała hodowla (propagacja) ustalonych linii komórkowych in vitro nieuchronnie prowadzi do nagromadzenia mutacji a także zmian epigenetycznych w komórkach. Ten dryf genetyczny/epigenetyczny powoduje stopniowe zmiany reaktywności komórek, przez co trudniej jest odnieść ich reakcje na badane czynniki do sytuacji in vivo.  Warto również nadmienić, że komórki terminalnie zróżnicowane, np. neurony i kardiomiocyty, pozostają niezdolne do namnożenia w hodowli in vitro. Z tego powodu najczęściej ich jedynym źródłem pozostaje ich bezpośrednia izolacja z tkanki i krótka hodowla pierwotna w celu oceny ich fenotypu. 

W dobie rosnących ograniczeń badań na zwierzętach hodowle komórkowe stały się coraz powszechniej stosowane w analizach wpływu potencjalnych leków i innych substancji biologicznie aktywnych, na fizjologię komórek i ich zespołów. Umożliwiają one prowadzenie badań w ściśle określonych warunkach, które można w sposób dowolny modyfikować, wykorzystując jednocześnie materiał biologiczny o zdefiniowanych cechach fenotypowych i genotypowych. Dzięki temu możliwa jest kontrolowana w czasie i przestrzeni aplikacja badanych czynników i bezpośrednie obserwacje reakcji komórek na te czynniki z wykorzystaniem zaawansowanych technik diagnostycznych.