單細胞測序使用優化的下一代測序技術檢查來自單個細胞的序列信息，提供更高分辨率的細胞差異并更好地了解單個細胞在其微環境中的功能。 例如，在癌癥中，對單個細胞的 DNA 進行測序可以提供有關小細胞群攜帶的突變的信息。 在開發過程中，對單個細胞表達的 RNA 進行測序可以深入了解不同細胞類型的存在和行為。 在微生物系統中，同一物種的種群可能會出現遺傳克隆。 盡管如此，RNA 的單細胞測序或表觀遺傳修飾可以揭示細胞間的變異性，這可能有助于種群快速適應在不斷變化的環境中生存。

一個典型的人類細胞由大約 2 x 33 億個堿基對的 DNA 和 6 億個 mRNA 堿基組成。 通常，使用 Sanger 測序或 Illumina 測序等傳統方法對 DNA 或 RNA 進行測序時，會混合使用數百萬個細胞。 通過對單個細胞的 DNA 和 RNA 進行深度測序，可以廣泛研究細胞功能。 與典型的下一代測序實驗一樣，單細胞測序方案一般包含以下步驟：單細胞分離、核酸提取和擴增、測序文庫制備、測序和生物信息學數據分析。 進行單細胞測序比對大量細胞進行測序更具挑戰性。 來自單個細胞的最少量起始材料會導致降解、樣品損失和污染對測序數據的質量產生顯著影響。 此外，由于所用核酸數量為皮克級，單細胞測序的樣品制備過程中往往需要大量擴增，導致測序數據覆蓋不均、噪聲大、定量不準確。

最近的技術改進使單細胞測序成為解決一組看似無法解決的問題的有前途的工具。 例如，異質樣本、稀有細胞類型、細胞譜系關系、體細胞組織嵌合體、無法培養的微生物分析以及疾病演變都可以通過單細胞測序來闡明。 單細胞測序被自然出版集團選為2013年的方法。

單細胞 DNA 基因組測序涉及分離單個細胞，擴增整個基因組或感興趣區域，構建測序文庫，然后應用下一代 DNA 測序（例如 Illumina、Ion Torrent、MGI）。 單細胞 DNA 測序已廣泛應用于哺乳動物系統以研究正常生理和疾病。 單細胞分辨率可以揭示遺傳嵌合體或腫瘤內遺傳異質性在癌癥發展或治療反應中的作用。 在微生物組的背景下，來自單個單細胞生物的基因組被稱為單個擴增基因組 (SAG)。 單細胞 DNA 測序的進步使得能夠從復雜微生物組中存在的未培養原核物種中收集基因組數據。 盡管 SAG 具有低完整性和顯著偏差的特點，但最近的計算進步已經實現了從復合 SAG 組裝近乎完整的基因組。 從微生物中獲得的數據可能會建立未來的培養過程。 單細胞單細胞分析中使用的一些基因組組裝工具包括 SPAdes、IDBA-UD、Cortex 和 HyDA。

已經發布了 100 多種不同的單細胞組學方法的列表。

多重置換擴增 (MDA) 是一種廣泛使用的技術，能夠將飛克級的 DNA 從細菌擴增到微克級以進行測序。 MDA 反應所需的試劑包括：隨機引物和來自噬菌體 phi29 的 DNA 聚合酶。 在 30 度等溫反應中，使用附帶的試劑擴增 DNA。

當聚合酶制造新鏈時，會發生鏈置換反應，從每個模板 DNA 合成多個拷貝。 同時，先前延伸的鏈將被置換。 MDA 產品的長度約為 12 kb，范圍可達 100 kb 左右，使其可用于 DNA 測序。 2017 年，通過利用 phi29 聚合酶的耐熱突變體，對這項技術進行了重大改進，稱為 WGA-X，從而更好地從單個細胞中恢復基因組，尤其是那些具有高 G+C 含量的細胞。 MDA 也已在基于微流體液滴的系統中實施，以實現高度并行的單細胞全基因組擴增。 通過將單細胞封裝在液滴中進行 DNA 捕獲和擴增，與傳統的 MDA 相比，該方法可減少偏差并提高通量。