S期

S期是細胞周期中進行DNA複製的時期，發生於G₁期後，G₂期前。細緻而準確的DNA複製對於避免可能導致細胞死亡或疾病的遺傳變異是必要的，因此真核生物中調控DNA複製的過程高度保守。這使得對模式生物非洲爪蟾的胚胎和芽殖酵母S期的研究可以聯繫到更高等的生物中。

S期調節

G₁/S期轉化是調節細胞周期的主要檢查點之一，根據營養、能量和其它因素的影響，細胞必須決定或完成細胞周期或進入不分裂的G₀期。該轉換過程由週期素和周期蛋白依賴性激酶調控。G1/S周期蛋白會使CLN3-Cdk1活化Cln 1/2或酵母的起始點Clb5/6以開始S期。該過程包含兩個正反饋循環途徑以使細胞快速單向進入S期。這種冗餘途徑並不常見，這會調整循環的輸出並導致更快的基因水平進化。

DNA複製

S期的主要事件是DNA複製，該過程將準確生成兩套半保留的染色體。對此，有人提出「DNA複製執照」假說，該假說認為細胞中存在一種因子使DNA僅能複製一次。且該因子將不斷降解從而使DNA複製於G2期中止，並直至下一次M期重新接觸到該因子才可繼續複製。有實驗證明Mcm、Orc蛋白等成分構成了執照因子。

複製起始點識別複合體（Orc蛋白）起到了識別並結合DNA複製起點的作用。當Orc與複製起點結合後將募集Cdc6與Cdt1。結合ATP的Cdc6將改變Orc構型並與Cdt1一同促進Mcm在DNA複製起始位點上結合以形成前DNA複製複合體。在複製過程中Mcm將不斷脫落，當DNA複製結束後，染色質上將沒有前DNA複製複合體與之結合，從而阻止新一輪DNA複製。

為了防止多重DNA複製，單個前DNA複製複合體僅能作用一次。磷酸化的Cdc6會被排出細胞核或被降解。另外雙能蛋白將與Cdt1結合而抑制Cdt1與染色質結合。Cdc6與Cdt1脫離染色體後便可阻止Mcm與染色質結合，從而阻止前DNA複製複合體的生成與DNA複製的啟動。

DNA複製過程中速度可高達100鹼基對／秒並保證每10⁹鹼基對中只出錯一次。

DNA損傷

DNA受到的損傷會在S期中檢測並修復。當複製叉到達受損DNA位置上時，絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶ATR被活化。ATR啟動了若干複雜的下游途徑使DNA在被修復之前停止複製。