Il nucleo contiene, immersi nel cosiddetto succo nucleare, o «carioplasma», il DNA (cromatina, cromosomi), l’RNA (soprattutto nel nucleolo), proteine e metaboliti diversi La spiralizzazione del DNA nei cromosomi non è semplice, ma può immaginarsi come una spirale di spirali. Nel nucleo intercinetico la spiralizzazione superiore non è sufficiente a permettere l'individuazione dei singoli cromosomi al microscopio. Singoli tratti, però, possono essere spiralizzati e quindi visibili, costituendo le «masserelle» di cromatina. Le zone meno spiralizzate sembra siano le più attive metabolicamente.
Gli stadi di attività del DNA cromosomico sono: autosintetico ed allosintetico. Nel primo caso la molecola di DNA si reduplica attraverso un processo semiconservativo, nel secondo caso sintetizza i tre tipi di RNA.
Il nucleo è un grosso corpo sferico, di solito la struttura intracellulare più evidente, ed è circondato da due membrane unitarie che insieme costituiscono l'involucro nucleare. La superficie dell'involucro è attraversata da pori nucleari, chiusi da una sola sottile membrana, che solo apparentemente consentono il passaggio di grosse molecole specifiche, mantenendo così la composizione del materiale nucleare differente da quella del citoplasma. La membrana si comporta come se fosse semipermeabile, ove, attraverso di essa, passano RNA e ribosomi.
I cromosomi, che sono composti da DNA e da proteine, si trovano all'interno del nucleo. Quando una cellula non è in divisione, i cromosomi sono visibili come un confuso ammasso di sottili filamenti, detti cromatina.
Il corpo più evidente all'interno del nucleo è il nucleolo, composto, come i cromosomi, da DNA e proteine e formato da una parte di un cromosoma; questo è il sito nel quale si forma un particolare tipo di RNA, l'RNA ribosomale. Per questo motivo il nucleolo (o organulo nucleare) costituisce il principale deposito di RNA ribosomiale.
Determinate aree del reticolo endoplasmatico sono dinamicamente collegate alla membrana nucleoplasmatica. Questo avvalora l'ipotesi che l'involucro nucleare origini dalle membrane cellulari.

Le funzioni del nucleo

Il nucleo compie due funzioni cruciali per la cellula. In primo luogo porta alla cellula l'informazione ereditaria, le istruzioni che determinano se un particolare organismo dovrà svilupparsi come paramecio, quercia o essere umano; e non un paramecio, una quercia o un essere umano qualsiasi, mauno che assomiglia al genitore o ai genitori di quel particolare unico organismo.

In secondo luogo il nucleo dirige le attività della cellula, assicurando che le molecole complesse che la cellula richiede, siano nel numero e del tipo necessario. Queste molecole sono coinvolte nella realizzazione delle varie attività cellulari e nella formazione degli organelli e delle altre strutture.