每个细胞都是独一无二的，但是目前研究大多针对的是细胞群体（例如整块组织），忽略了细胞之间的异质性。单细胞测序是对多至上万个细胞在单个细胞水平上，对基因组、转录组、表观遗传组等同时进行高通量测序分析的新技术。单细胞测序可以更精准地分析细胞与细胞之间的差异，实现了让基因检测从“平均值”上升到“个体值”，被称为基因测序2.0时代技术。分析之后，再从“个体值”上升到“群体值”，能够把相类似的细胞群体进行归类，对每一类细胞计数并分析其在群体里的比例及状态，是强大的临床研究及基础研究的平台。
目前单细胞测序发展最快的是单细胞RNA-Seq技术，可以同时分析数千乃至上万单个细胞的基因表达状况，在肿瘤干细胞、肿瘤耐药机理、肿瘤免疫微环境等研究领域有广泛的应用。2018年末，以单细胞RNA-Seq为主要检测手段的单细胞技术被Science评选为2018年度十大科学突破榜首。
单细胞测序领域经过十多年的发展，各种技术层出不穷，包括微流控、微液滴、微孔板、胞内标记等几大类方法。单细胞RNA-Seq方法主要有基于微液滴或微流控芯片的技术平台，前者以10X Genomics公司的Chromium Single Cell System 为代表，后者包括WaferGen公司的ICELL8平台。10X Genomics公司的单细胞RNA-Seq平台具有通量高、细胞捕获效率高等性能优势，在业界有更广泛的应用。10X Genomics的单细胞RNA-Seq平台，利用微流控分选高达上万个单细胞，将带有引物、单细胞标记条形码的凝胶珠、反应所需试剂包裹在油滴中，在每一油滴对细胞裂解释放的RNA进行反转录产生带有条形码的cDNA，油滴破坏后，对cDNA进行文库构建，用二代测序平台对文库进行分析，一次测序可以获得大量单细胞基因表达数据。单细胞研究的另一个技术是SMART-Seq，可以分析转录组RNA的全长，在基础研究领域应用较多，其缺点是通量低且需要大量的人工投入。