广义而言，肿瘤异质性可分为肿瘤间异质性和肿瘤内异质性两类，其中前者指的是不同肿瘤的细胞之间的基因与表型不同，后者指的是相同肿瘤的不同细胞之间的基因与表型也不同。在此，若无特别提及的话，谈及的肿瘤异质性指的是肿瘤内异质性。
肿瘤异质性是恶性肿瘤的特征之一，是指肿瘤在生长过程中，经过多次分裂增殖，其子细胞呈现出分子生物学或基因方面的改变，从而使肿瘤的生长速度、侵袭能力、对药物的敏感性、预后等各方面产生差异。简而言之，肿瘤异质性指肿瘤内既有致瘤细胞亚群，也有非致瘤细胞亚群。
肿瘤内异质性又有空间异质性（相同肿瘤不同区域不同）与时间异质性（原发性肿瘤与继发性肿瘤不同）之分。肿瘤异质性来自环境因素分布及作用的不均一性与基因突变的随机性。正是因为有环境因素不均一性的存在，所以才会有肿瘤“微环境”的说法。基因突变的随机性一方面体现在突变位点的多样性上，另一方面也体现在突变后是否致瘤上。一个细胞的基因突变可致癌，而另一个细胞的基因突变后却不致癌。
肿瘤异质性产生的本质也就在于 “外因”（环境）对“内因”（基因）的双重作用。除极个别情况外，肿瘤发生通常只涉及体细胞而不涉及性细胞。因此，人体的绝大多数肿瘤都不会遗传给后代，但种系基因缺陷所致肿瘤遗传倾向例外。
上个世纪三十年代，科学家就已发现小鼠肿瘤的一些肿瘤细胞经过移植可以长出新的肿瘤，但移植另一些肿瘤细胞却不会导致新肿瘤形成，这就提示着到肿瘤在功能和表型上存在异质性。
1976年，Peter Nowell提出肿瘤异质性起源的“克隆演化”理论，认为连续多轮克隆选择是导致肿瘤基因及其他分子变异的根本原因。“克隆”是指无性繁殖，克隆演化只涉及体细胞，不涉及性细胞。
不过近年来，科学家陆续提出肿瘤含有少量肿瘤干细胞，肿瘤干细胞是肿瘤发生的“罪魁祸首”。如果不清除肿瘤干细胞，即便通过放疗或化疗消灭了大部分肿瘤细胞，最终还是因肿瘤干细胞分化产生导致肿瘤复发和转移，并对放疗或化疗产生耐药性。不过，也有不少科学家对这种理论提出异议。
尽管如此，肿瘤异质性依然客观存在，肿瘤中的确既有致瘤细胞也有非致瘤细胞。至于致瘤细胞是否肿瘤干细胞以及它们如何起源，一种观点认为，致瘤细胞既有可能起源于干细胞或祖细胞，也有可能起源于具有分裂能力的普通体细胞。
（1）NEJM：肿瘤其实是高度异质的
根据2012年3月8日发表在New England Journal of Medicine期刊上的一篇论文，研究人员追踪了肿瘤的进化树，从而发现肿瘤存在高度的遗传异质性，这有助于阐明为何个人化癌症治疗可能不是有效的。单次活组织检查(biopsy)将只能深入了解肿瘤内一个位点的突变，而有些突变导致肿瘤对不同治疗方法产生不同反应或预后结果，但是这些突变可能潜藏在肿瘤其他位点，这可能能够解释为何抗肿瘤疗法经常是先能够发挥抗肿瘤功能但是过一段时间后就失去疗效。
“我们在相当长的一段时间内认为肿瘤是癌细胞拼凑出来的，但是这是第一次我们能够使用前沿的基因组测序技术来极其精细地描绘出一个肿瘤的遗传全貌”，论文通讯作者和英国癌症研究中心/伦敦研究所肿瘤遗传学家Charles Swanton说。
Swanton和他的同事们追踪肿瘤基因组进化并研究人肾脏肿瘤的遗传异常性。研究人员在一个病人所患的原发性肾脏肿瘤的几个位点及其几个转移瘤中进行活组织检测，并发现鉴定出的突变当中只有34%在病人所有样品中都是一样的。随后，他们构建出一个原发性肿瘤和一个转移瘤的进化树，结果表明一个癌细胞系在病人身上产生转移瘤，而另一个主要的癌细胞系支持原发性肿瘤生长，这些暗示着基于原发性肿瘤的活组织检测结果进行针对性治疗可能并不能有效地治疗转移瘤。Swanto说，如果能够发现哪些突变在肿瘤内不同细胞之间以及在不同肿瘤之间是相同的，那么科学家可能能够设计出一个更加全面的治疗策略。（New England Journal of Medicine, March 8, 2012, doi: 10.1056/NEJMoa1113205）
（2）Science：提出肿瘤异质性新概念
2013年9月，来自美国德州大学MD安德森癌症中心的研究人员对来自11例手术切除的局部肺腺癌病例的48个肿瘤样品进行全外显子组测序。他们鉴别出了7269个突变，并且发现76%的突变以及21个已知癌症基因突变中的20个存在于同一肿瘤的所有区域。
这就意味着在局部肺腺癌中，一些已知的促癌基因组突变似乎一致地存在于整个肿瘤之中，对肿瘤的某一区域进行单次活检就有可能鉴别出其中的大多数突变。
然而，2012年的一项具有里程碑意义的肾细胞癌研究（New England Journal of Medicine, March 8, 2012, doi: 10.1056/NEJMoa1113205）发现，大多数促癌变异并不存在于肿瘤的所有区域中，因此对肿瘤的一个区域进行活检并不能很好地描绘出在某个肿瘤发病中起重要作用的癌基因。
