染色体不分离（Nondisjunction）是指生物细胞分裂时，同源染色体或姊妹染色体未能成功分离的现象，由美国遗传学家卡尔文·布里基斯（英语：Calvin Bridges）和托马斯·亨特·摩尔根于1910年在黑腹果蝇细胞的性染色体上发现。染色体不分离包括第一次减数分裂时同源染色体不分离、第二次减数分裂时姊妹染色体不分离、以及有丝分裂时姊妹染色体不分离等三种情形。
染色体不分离会造成子细胞成为非整倍体，即多出一条染色体或（2n+1）或失去一条染色体（2n-1），若发生在减数分裂则可能造成子代发生非整倍体疾病，三体症（细胞具有3条该该对染色体）包括唐氏症、爱德华氏症候群、克氏综合征等；已知的单体症（英语：Monosomy）（细胞仅有1条该对染色体）则仅有透纳氏症一种。
人类的非整倍体疾病较多是女性减数分裂时（特别是第一次减数分裂）发生染色体不分离所致，可能原因是卵母细胞减数分裂过程中，会在前期I停滞数年至数十年之久，可能为使姊妹染色体失去黏连蛋白（英语：cohesin）而相互分离，进而使着丝点连接错误，相较之下精母细胞则会快速地完成整个减数分裂流程；另外精母细胞减数分裂时发生染色体互换的频率高于卵母细胞，人类卵母细胞有超过10%有至少一对同源染色分体在联会过程中没有发生互换，而缺乏互换是造成染色体不分离的原因之一。有些物质（非整倍体诱变剂（英语：aneugen））可以促使细胞分裂时发生染色体不分离的现象，烟草即为一种非整倍体诱变剂，因此吸烟会提升染色体不分离的几率；另有研究显示酒精、苯、氰戊菊酯、甲萘威等物质可能也是非整倍体诱变剂。
为避免细胞分裂时染色体不分离，细胞周期中有纺锤体组装检查点（英语：Spindle checkpoint）（SAC）以确保细胞中染色体均与纺锤体连接妥当后才活化促后期复合体（英语：Anaphase-promoting complex）（APC），使细胞分裂进入后期（英语：Anaphase）。
