細胞培養的一大優勢在於能夠控制細胞生長的物理化學環境 (即：溫度、pH 值、滲透壓、O2 和 CO2 壓力) 和生理環境 (即：激素和營養素濃度)。除溫度外，培養環境均由生長培養基控制。
雖然細胞培養的生理環境不如其物理化學環境明確，但是通過對血清成分更好地了解、確定細胞增殖所需的生長因子以及更好地了解培養過程中的細胞微環境 (即：細胞間相互作用、氣體擴散、細胞-基質相互作用)，現在可以採用無血清培養基進行一些細胞系的培養。
貼壁培養與懸浮培養
目前主要有兩種基本的細胞培養體系，一種是使細胞在人工基質上單層生長 (即：貼壁培養)，另一種是使細胞在培養基中自由漂浮生長 (懸浮培養)。除造血細胞系和其他一些細胞外，大多數脊椎動物細胞均具有貼壁依賴性，必須在合適的基質上培養，且該基質必須經過特殊處理，以便細胞粘附和伸展 (即：組織培養處理)。但是，許多細胞系也可採用懸浮培養。大多數商品化的昆蟲細胞系在單層和懸浮培養體系中均能很好地生長。
懸浮培養細胞可在未經組織培養處理的培養瓶中培養，但是培養容量表面積比 (通常為0.2–0.5 mL/cm2) 的增加，阻礙了有效的氣體交換，因此需要對培養基進行攪動。這種攪動一般通過磁力攪拌器或者轉瓶實現。
培養基
培養基是培養環境中最重要的成分，因為它可提供細胞生長所必需的營養素、生長因子和激素，並能調節培養體系的 pH 值和滲透壓。
儘管早期的細胞培養實驗採用從組織提取物和體液中獲得的天然培養基進行，但是由於要對培養條件進行標準化、提高培養基質量以及需要量的增加，促使人們開發出成分確定的培養基。目前主要有三種培養基，即：基礎培養基、減血清培養基和無血清培養基，三者對血清添加量的要求不同。
• 血清是基礎培養基中極為重要的細胞生長和粘附因子、激素、脂質和礦物質來源。此外，血清還可調節細胞膜通透性，並可作為向細胞內運送脂質、酶、微量營養素和微量元素的載體。但是，在培養基中添加血清也有一些缺點，包括：成本高，存在標準化、特異性和變異性問題，具有一些不良效應，例如：可促進或抑制某些細胞的生長和/或功能。如果血清供應單位的聲譽不夠好，那麼血清的汙染也會對細胞培養實驗的成功造成嚴重威脅。
• 基礎培養基
大多數細胞系均可在基礎培養基中生長良好，基礎培養基中含有胺基酸、維生素、無機鹽和碳源 (如葡萄糖)，它們的主要作用如下所示，但是這種基礎培養基配方中必須添加血清。
- 胺基酸：組成蛋白質的基本單位。不同的細胞對胺基酸的需求各異，但幾種必需胺基酸細胞自身不能合成，必須依靠培養液提供，如組氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、賴氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、蘇氨酸、色氨酸、纈氨酸、半胱氨酸、酪氨酸等。
其餘非必需胺基酸，細胞可以自己合成，或通過轉氨作用由其他物質轉化而來。絕大部分細胞對穀氨醯胺有較高的要求，因為穀氨醯胺是作為能源及碳源物質同時被細胞利用，是細胞合成核酸和蛋白質必需的胺基酸，在缺少穀氨醯胺時，細胞生長不良而死亡，所以各種培養液中都含有較多的穀氨醯胺。細胞所能利用的胺基酸是L型同分異構體，D型胺基酸不能被利用。
- 維生素：維持細胞生長的一種生物活性物質，對細胞代謝有重大作用。它們在細胞中大多形成酶的輔基或輔酶，沒有它們，酶便沒有活性，代謝活動將無法進行。維生素分為水溶和脂溶兩大類，水溶性維生素有：B族維生素、膽鹼、葉酸、肌醇等，脂溶性維生素有：維生素A、D、E、K等。有的培養液中直接採用ATP和輔酶A。
- 葡萄糖：大部分培養基都以葡萄糖作為能量來源之一。（是主要作為碳源利用的）
- 無機鹽：維持培養基滲透壓平衡，參與細胞的代謝活動，主要有Na+、K+、Ca2+、Mg2+等
- L-穀氨醯胺：在細胞培養液中L-穀氨醯胺是大部分細胞培養基的基本成分；脫掉氨基後，L－穀氨醯胺可作為培養細胞的能量來源、參與蛋白質的合成和核酸代謝。L－穀氨醯胺的降解導致氨的形成，而氨對於一些細胞具有毒性。L-穀氨醯胺是一種並不穩定的胺基酸，在中性的水溶液中會自發降解, 半衰期一般為3 weeks at 4oC, 5 days at 37oC
- 酚紅：在培養基中被用來作為PH值的指示劑：中性時為紅色，酸性時為黃色，鹼性時為紫色
- HEPES緩衝系統：用來增加pH緩衝能力。HEPES在pH7.2-7.4之間有很強的緩衝能力，當透氣的培養器皿被拿到二氧化碳培養箱外面的時候，由於空氣中二氧化碳濃度很低，培養液中碳酸鹽緩衝系統就會失去效果，這時候HEPES緩衝系統就能繼續保持 pH的穩定。因此，培養基中的HEPES 可抵抗細胞代謝和培養環境改變引起的 pH 值波動。該培養基適用於穩定敏感性細胞培養體系的 pH 值。
• 減血清培養基
減少血清對細胞培養實驗不良效應的另一種策略是使用減血清培養基。減血清培養基是一種補充了營養素和動物來源因子從而降低了血清需要量的基礎培養基配方。
• 無血清培養基
無血清培養基 (SFM) 通過用適當的營養和激素成分代替血清，避免了使用動物血清帶來的問題。無血清培養基配方可用於多種原代細胞和細胞系，包括：用於重組蛋白生產的中國倉鼠卵巢 (CHO) 細胞、各種雜交瘤細胞系、Sf9 和 Sf21 昆蟲 (草地貪夜蛾) 細胞系以及用於病毒生產宿主細胞系 (例如：293、VERO、MDCK、MDBK) 等。使用無血清培養基的一大優勢是可通過適當的生長因子組合使培養基對特定細胞種類具有選擇性。下表列出了無血清培養基的優缺點
• pH 值 大多數正常的哺乳動物細胞系都能在 pH 值為 7.4 的環境中生長良好，而且不同細胞株間差異極小。但是，目前發現有些轉化細胞系在輕度偏酸性的環境 (pH 7.0–7.4) 中生長較好，而有些正常的成纖維細胞系更適合輕度偏鹼性的環境 (pH 7.4–7.7)。Sf9 和 Sf21 等昆蟲細胞系最適合在 pH 值為 6.2 的環境中生長。
• 二氧化碳 生長培養基可控制培養體系的 pH 值，為培養的細胞緩衝 pH 值的變化。這種緩衝作用通常是通過添加有機緩衝鹽 (例如：HEPES) 或者二氧化碳-碳酸氫鹽緩衝鹽實現。由於培養基的 pH 值取決於溶解態二氧化碳 (CO2) 與碳酸氫鹽 (HCO3–) 間的精密平衡，因此空氣中二氧化碳含量的變化會改變培養基的 pH 值。為此，使用二氧化碳-碳酸氫鹽緩衝鹽培養基時必須使用外源性二氧化碳，特別是使用開放式培養皿培養細胞或者進行高濃度的轉化細胞系培養時。雖然大多數研究人員通常使用濃度為 5–7% 的二氧化碳，但是 4–10%濃度的二氧化碳適用於大多數細胞培養實驗。然而，每種培養基均具有其推薦的二氧化碳壓力和碳酸氫鹽濃度，以便達到正確的 pH 值和滲透壓；更多信息請參閱培養基製造商提供的說明書。
• 溫度 細胞培養的最佳溫度主要取決於細胞供體的體溫，此外也受到解剖部位體溫差異的影響 (例如：皮膚溫度低於骨骼肌的溫度)。與溫度過低相比，細胞培養時溫度過高是更為嚴重的問題；因此，往往將培養箱的溫度設定為略低於最佳溫度。
- 大多數人和哺乳動物細胞系在 36°C 至 37°C 下具有最佳生長狀態。
- 昆蟲細胞在 27°C 下具有最佳生長狀態；在低於 27°C 以及 27°C 至 30°C 範圍內，細胞生長較慢。溫度超過 30°C 時，昆蟲細胞活力降低，即使溫度降至 27°C，細胞活力也無法恢復。
- 禽類細胞系在 38.5°C 時具有最佳生長狀態。雖然此類細胞也可在 37°C 下培養，但其生長速度會變慢。
- 來源於冷血動物 (例如：兩棲動物、冷水魚) 的細胞系可耐受很寬的溫度範圍(15°C-26°C)。
Tips: 請注意每種細胞的培養條件均有所不同。偏離某種細胞所需的培養條件會導致細胞表型異常，甚至培養完全失敗。因此大家應熟悉自己使用的細胞系，實驗中嚴格遵守所有產品附帶的操作說明。