Phân hạch nhị phân là quá trình chính mà vi khuẩn sinh sản vô tính. Nó có thể được tóm tắt là một quá trình trong đó tế bào phóng to, DNA của nó được sao chép và tế bào tách thành hai tế bào, mỗi tế bào có một bản sao của DNA. Vi khuẩn thường chỉ trải qua quá trình phân hạch nhị phân trong những trường hợp thuận lợi.
Sự phân hạch nhị phân liên quan đến việc sử dụng máy móc tế bào để di chuyển DNA đã sao chép sang các phía đối diện của tế bào và sau đó tách tế bào ra làm hai. Nhiều đơn vị của một loại vòng đặc biệt được tập hợp lại ở trung tâm của tế bào đang phân chia, và những đơn vị này sau đó bắt đầu co lại, chèn ép màng tế bào được đóng lại giữa mỗi tế bào con. Các máy móc tế bào khác đảm bảo rằng DNA không bị hư hỏng do màng tế bào bị co lại. Ở nhiều loại vi khuẩn, một thành tế bào mới cũng được xây dựng giữa các tế bào con khi màng tế bào bị chèn ép đóng lại.
Mặc dù sự phân hạch nhị phân là hình thức sinh sản phổ biến nhất của vi khuẩn, nhưng nó không phải là phương pháp duy nhất được sử dụng. Thay vào đó, một số loài vi khuẩn quang hợp phát triển với kích thước rất lớn và sau đó phân chia nhiều lần trong một lớp vỏ tròn trước khi phân tán. Các loài khác phân nhánh và sinh sản bằng cách nảy chồi, tạo thành các tế bào con nhỏ hơn nhiều thay vì hai tế bào con bằng nhau từ một tế bào đang phân chia.
