Contrairement à une idée autrefois répandue, et comme le montrent les vidéo de spermatozoïdes entourant l'ovule, le premier spermatozoïde arrivé auprès de l'ovule n'est pas toujours celui qui le féconde. Chez de nombreuses espèces, plusieurs spermatozoïdes au contact de l'ovule "mettent en commun" le contenu de leurs acrosomes, c'est-à-dire des enzymes, pour rendre la membrane de l'ovule perméable à un seul d'entre eux.
La chimioattraction (chimiotactisme ou chemoattraction) du spermatozoïde par l'ovule permet la rencontre des gamètes. Elle est expérimentalement démontrée chez des espèces animales à fécondation externes comme l'oursin, l'ascidie ou des méduses. Le chimiotactisme est clairement documenté chez des vertébrés (harengs par exemple), mais la chimioattraction reste sujette à débats pour les mammifères.
Des molécules émises par l'ovule seraient perçues par le spermatozoïde à extrêmement faibles concentrations (de type hormonale), chaque espèce reconnaissant sa signature propre. Le chimiotactisme n'est efficace qu'à proximité immédiate de l'ovule qui attire ainsi graduellement un groupe croissant de spermatozoïdes en augmentant les chances de rencontre des gamètes.
Le pouvoir fécondant de spermatozoïde humain est parfois testé sur des ovules d'autres espèces, dont de Hamster.
On a observé in vitro au microscope que des bactéries de type mycoplasme ( M. genitalium) peuvent se fixer sur des spermatozoïdes par leur pointe (connue pour disposer d'une protéine adhésive, ce que confirme la microscopie à rayons x). En présence de la bactérie, les mycoplasmes se fixent sur la tête, la pièce intermédiaire et la queue des spermatozoïdes.
On observe généralement une immobilisation du spermatozoïde quand plusieurs bactéries s'y sont fixées, mais certains spermatozoïdes restent mobiles et se montrent capables d'ainsi transporter M.genitalium (dans ce cas, les mycoplasmes sont plutôt fixés à la pièce intermédiaire ou dans la région du cou et parfois, M.genitalium a été vu sur la tête, mais non sur la queue du spermatozoïde).
L'andrologie considère comme normal des spermatozoïdes dont les caractéristiques correspondent à celles des spermatozoïdes étudiés après avoir été collectés dans le mucus cervical pré-ovulatoire qu'ils ont réussi à atteindre. Les autres spermatozoïdes, qu'elles que soient leurs anomalies physiques ou de motilité ont été freinés ou retenus par le filtre naturel que constitue le mucus cervical. Le pourcentage et le nombre de spermatozoïdes « normaux » sont considérés comme prédictif du pouvoir fécondant du sperme. Un spermatozoïde normal est caractérisé par :
Sous le microscope, le spermatozoïde n'est pas toujours parallèle au plan ; l'observateur doit donc faire varier la profondeur de champ de l'image grâce à la vis micrométrique pour bien observer toute la longueur du gamète, y compris son flagelle. Un grossissement de 100x au moins est nécessaire à une bonne observation.
Il arrive qu'un nombre important de spermatozoïdes soient anormalement constitués ; on parle de tératozoospermie quand moins de 50 % (ou moins de 30 % pour certains auteurs et l' OMS) des spermatozoïdes sont normaux. Un diagnostic affiné classe les spermatozoïdes selon leurs anomalies fonctionnelles (spermatozoïde immobile ou peu mobile) et/ou en quatre catégories selon certains types d'anomalies physiques :
Remarque : En laboratoire, pour les besoins de certains tests, les spermatozoïdes peuvent être séparés du plasma séminal par centrifugation (à 600g durant 5 minutes), puis lavés (par exemple par deux passages de 5 minutes dans du Tyrode.