同源染色体携带的基因类型相同但等位基因可能存在差异，主要受遗传规律、基因突变、染色体变异、减数分裂重组和进化选择影响。
同源染色体分别来自父母双方，理论上携带相同基因座位，但等位基因可能不同。孟德尔分离定律表明，二倍体生物的同源染色体在减数分裂时分离，导致等位基因独立分配。例如人类ABO血型基因位于9号染色体，父母可能分别传递A和B等位基因。
DNA复制错误或环境诱变可能导致同源染色体出现基因差异。点突变如镰刀型贫血症的β-珠蛋白基因突变，使6号染色体上的HBB基因产生异常血红蛋白。体细胞突变还可能造成嵌合现象，如某些皮肤白斑症。
结构变异会导致同源染色体基因差异。易位如费城染色体形成BCR-ABL融合基因，缺失如猫叫综合征的5号染色体短臂缺失。非整倍体现象如唐氏综合征的21号三体，使基因剂量不平衡。
联会时同源染色体发生交叉互换，使基因组合多样化。每对染色体平均发生1-3次交叉，重组率与染色体长度正相关。X和Y染色体仅在拟常染色体区存在同源序列，大部分区域基因不同。
长期自然选择使某些基因呈现多态性。MHC基因家族通过杂合优势维持多样性，HLA系统存在数千种等位基因。性染色体进化使X染色体保留约800个基因，而Y染色体仅剩45个功能基因。
日常补充叶酸和维生素B族有助于维持DNA甲基化稳定，规律运动可促进端粒酶活性延缓染色体老化。备孕前建议进行携带者筛查，孕期需重视唐筛等染色体检查。染色体微阵列分析能检测5-10Mb以上的拷贝数变异，全基因组测序可识别单核苷酸多态性。