• (1) Akrosom
• (2) Zellmembran
• (3) Nucleus
• (4) Mitochondrien
• (5) Schwanz (Flagellum).

Bei den einzelnen Tierarten besitzen die Spermien eine unterschiedliche und charakteristische Gestalt. Doch gibt es gewisse Grundübereinstimmungen in dem Bau. Meistens handelt es sich um fadenförmige Zellen, die einen Kopfteil mit haploidem Zellkern, ein Mittelstück ("Hals" mit Centrosom und deshalb liegenden Mitochondrien-Paketen) und einen beweglichen Schwanz besitzen. Der Spermienkopf kann verschieden gestaltet sein: kugelig wie bei Weißfischen , lang gestreckt wie beim Chamäleon, hakig gebogen wie bei Ratten und Mäusen, säbelartig wie bei Hühnern, schraubenförmig gewunden wie bei Schnecken und Vögeln, ellipsoid geformt wie bei Stieren und Hengsten, schaufelförmig wie bei Meerschweinchen oder birnenförmig wie beim Menschen. An der Kopfspitze befinden sich häufig Sonderbildungen, die das Eindringen in die Eizelle ermöglichen: Sie sind dolchartig beim Frosch, hakenförmig bei der Maus oder erinnern - wie bei der Knoblauchkröte - an einen Bohrer. Weiter befindet sich an der Spitze des Spermienkopfes häufig eine Kappe (Akrosom) von unterschiedlicher Größe und Gestalt, die mit Enzymen gefüllt ist, welche das Durchdringen der Eimembran erleichtern.

Neben der Fadenform weisen einige Spermien auch andere Formen auf: Bei niederen Krebsen und etlichen Spinnentieren können sie insgesamt kugelförmig sein. Der Spulwurm besitzt nagelförmige Spermien mit einem Glanzkörper aus spezifischen Eiweißen. Andere Rundwürmer und auch Milben haben amöboid bewegliche Spermien. Bei den Zehnfußkrebsen (Decapoda) kommt eine Art "Explosionseinrichtung" in Form eines Sprungfedermechanismus vor, der das Spermium in die Eizelle katapultiert.

Auch die Größe der Spermien variiert bei den einzelnen Arten stark. Während die Spermien von Muschelkrebsen 7 mm lang sind, besitzen menschliche Spermien ca. eine Länge von 0,05 mm. Die Größe der Spermien kann sogar innerhalb der gleichen Art variieren - je nach dem, ob ein Männchen mehrere Nebenbuhler hat oder nicht. So hat man bei Fröschen festgestellt, dass die Spermiengröße und damit auch die Länge des Spermienschwanzes zunimmt, wenn das betreffende Männchen sich mit anderen Männchen um die Gunst eines Froschweibchens auseinanderzusetzen hat. Die Spermien mit dem längsten Schwanz, die am schnellsten schwimmen können, haben dabei die größte Chance, als erste die vom Weibchen in das Wasser abgegebenen Froscheier zu erreichen.

Das Spermium des Mannes besteht aus

• einem Kopfteil, der den haploiden Zellkern und zwischen 2682 und 2886 verschiedene mRNA-Moleküle enthält,
• einem Mittelstück mit einer Vielzahl von Mitochondrien, die die Energie in Form von ATP-Molekülen für die Fortbewegung liefern,
• einem beweglichen Schwanzteil mit längsverlaufendem Fibrillensystem aus Mikrotubuli zur Fortbewegung.

Menschliche Spermien dienen - wie die Spermatozoen der anderen Organismen - der Befruchtung einer weiblichen Eizelle. Sie werden nach ihrer Fertigstellung (Spermatogenese) zunächst in dem männlichen Nebenhoden gelagert, um von dort aus über den Samenleiter und die Harnröhre bei der Ejakulation während des männlichen Orgasmus ausgestoßen zu werden. Rund 300 Millionen von ihnen landen in der weiblichen Scheide. Von der Scheide aus "erschnüffeln" sie sich auf ihrer Reise über die Gebärmutter zu dem Eileiter den Weg zur Eizelle. Dabei leitet sie ein maiglöckchenähnlicher Duft, den die Eizelle ausstößt.

Aufgenommen werden die Duftreize von Duftrezeptor-Molekülen in der Membran des Anfangsteils des Spermienschwanzes, die denen in den Riechzellen unserer Nase ähneln. Trifft der weibliche Duftstoff auf den Rezeptor 17-4, steigt in dem Innern des Spermiums die Calcium-Konzentration. Dies hat zur Folge, dass das Spermium seine Schwimmrichtung ändert und gleichzeitig die Schwimmgeschwindigkeit verdoppelt.

Wegen der vielen Hindernisse erreichen ca. etwa 300 Spermien diejenige Stelle am Ende des Eileiters, an der die Eizelle auf ihre Befruchtung wartet. Die Eizelle lässt sich allerdings ca. von einem einzigen Spermium befruchten. Bei der Befruchtung dringt der Inhalt des Spermienkopfes in die Eizelle ein, die dadurch diploid wird und nun Zygote heißt. Nach neueren Erkenntnissen beeinflussen die zusammen mit dem Zellkern des Spermiums in die Eizelle eingedrungenen männlichen mRNA-Moleküle die Entwicklung des aus der Zygote entstehenden Embryos.

Spermien, die zur künstlichen Befruchtung dienen sollen, muss man nicht mehr wie bislang üblich in tiefgefrorenem Zustand in einer Samenbank aufbewahren; sie sollen künftig ganz einfach bei niedrigen Temperaturen oberhalb des Gefrierpunktes aufbewahrt werden können. Forscher aus Saudi-Arabien stellten in dem Jahre 2003 eine neue Methode vor, um Spermien ohne aufwändige Kühltechnik aufzubewahren. Dazu müssen die Spermien vorher gereinigt und in keimfreier Luft getrocknet werden. Zur Befruchtung erweckt man die Spermien später in einer Speziallösung wieder zu dem Leben und injiziert sie mit Hilfe der so genannten intracytoplasmatischen Spermainjektion in die zu befruchtende Eizelle. Allerdings sind die bei diesen Temperaturen aufbewahrten Spermien nach der Revitalisierung nicht mehr bewegungsfähig, müssen zur Befruchtung also in jedem Fall direkt in die Eizelle injiziert werden.

Gentechnisch veränderte Spermien könnten in Zukunft zur Korrektur von genetischen Erkrankungen vor der Empfängnis eingesetzt werden. Es handelt sich dabei um ein von amerikanischen und japanischen Wissenschaftlern entwickeltes Verfahren, um neue Gene in genetisch erkrankte Organismen einzupflanzen. Dazu werden in dem Reagenzglas Spermien gezüchtet und mit Retroviren infiziert. Durch die Viren werden neue Gene in die DNA der behandelten Organismen eingefügt. Anschließend werden mit den künstlich hergestellten Spermien Eizellen befruchtet, was zu gentechnisch veränderten Tieren führt. Allerdings entstanden bei einer größeren Versuchsreihe aus ca. 6 der 1410 befruchteten Eier tatsächlich transgene Tiere, deren Zellen alle das neue, erwünschte Gen enthielten. Doch die Wissenschaftler arbeiten schon an einer Optimierung des Verfahrens. In Zukunft könnte es möglich werden, mit dem neuen Verfahren bestehende Gene zu spalten und sie dadurch außer Funktion zu setzen oder gänzlich zu ersetzen. Gelingt es, das bisher ca. in dem Tierversuch durchgeführte neue Verfahren auch für die Manipulation menschlicher Spermien einzusetzen, könnte es nach Auffassung der Wissenschaftler für eine sanftere Form der Gentherapie eingesetzt werden. Embryonen müssten dann für die Korrektur eines genetischen Defekts weder mühsam nachbehandelt noch getötet werden.

Der Begriff Spermium sollte nicht mit dem Begriff Samen verwechselt werden, mit dem ein (oft in Fruchtfleisch eingebettetes) Verbreitungsorgan der höheren Pflanzen gemeint ist, das aus einem ruhenden pflanzlichen Embryo besteht, der von Nährgewebe und einer Samenschale umgeben ist.

Die falsche Verwendung des Begriffes Same oder Samen für die Spermien leitet sich aus der Bibel ab. Das hebräische Wort für Same wird dort unterschiedslos für Pflanzen, Tiere und den Menschen gebraucht. So empfängt einerseits die Frau den männlichen Samen (Num 5, 28) oder erweckt ihn beim erotischen Spiel (Gen 19, 32 und 34), andererseits wird das Land mit den Samen der Feldfrüchte besät (Dtn 29, 22; Ez 36, 9).

Aus dem alten Ägypten stammt die falsche Vorstellung, dass der männliche Same bereits der Mensch in nuce sei, der in dem Mutterleib quasi wie in einer Nährlösung ca. noch heranzureifen braucht. Schließlich steht der Begriff Same auch für die Nachkommenschaft selbst. Wenn die Bibel vom Samen Abrahams spricht, dann sind damit die aus Abraham hervorgegangenen Nachkommen gemeint (Jes 41, 8; Jer 33, 26). All diese Bedeutungen sind hier nicht gemeint. Die Begriffe Samen oder Samenzelle etc. sollten daher nicht mehr für die Spermien oder das Sperma benutzt werden. Neuere Schulbücher sprechen daher auch nicht mehr vom Samenleiter, sondern ausdrücklich vom Spermienleiter.