Giới hạn chính về kích thước mà một tế bào có thể phát triển là một nguyên tắc toán học được gọi là tỷ lệ bề mặt trên thể tích. Khi kích thước của một vật thể ba chiều lớn lên, thể tích của nó sẽ tăng nhanh hơn hơn bề mặt của nó, gây ra các vấn đề trao đổi chất cho tế bào. Ngoài ra, số lượng tế bào chất mà nhân có thể chứa và những hạn chế về cấu trúc trên tế bào cũng ngăn cản chúng lớn hơn.
Tế bào là các đơn vị trao đổi chất rời rạc. Họ phải có khả năng tiếp nhận các nguồn tài nguyên và loại bỏ chất thải và năng lượng. Nơi duy nhất một tế bào có thể làm được điều này là dọc theo lớp màng mỏng giống như da bao quanh nó. Khi thể tích của tế bào tăng về kích thước, nó phải thu nhận và đào thải nhiều chất hơn; tuy nhiên, vì thể tích phát triển nhanh hơn diện tích bề mặt, nên có giới hạn đối với lượng khuếch tán có thể diễn ra vào hoặc ra khỏi tế bào.
Hạt nhân của tế bào về cơ bản là một hình cầu nhỏ bên trong một hình cầu lớn hơn. Bởi vì hạt nhân phải trở nên lớn hơn để kiểm soát một tế bào lớn hơn, hạt nhân cũng dễ bị các vấn đề về tỷ lệ bề mặt trên thể tích. Điều này giới hạn kích thước của hạt nhân, do đó, giới hạn kích thước của toàn bộ tế bào.
Trong khi màng ngoài của tế bào bảo vệ tế bào tốt ở cấp độ vi mô, các tế bào lớn sẽ yêu cầu màng đặc biệt dày. Khi những lớp màng này dày lên đủ để chứa các tế bào lớn hơn, chúng sẽ bị giảm tính thấm.
