Le cellule primarie sono cellule isolate direttamente da un tessuto o organo vivo. Sono cellule differenziate che imitano lo stato fisiologico delle cellule in vivo e si prevede che mantengano le loro funzioni in vivo in condizioni ottimali per un breve periodo di tempo. Le cellule che possono essere isolate e coltivate in vitro subiscono un numero limitato di divisioni cellulari prima di entrare in senescenza. Questa durata limitata è una delle principali limitazioni nell'uso delle cellule primarie. Ad eccezione delle popolazioni di cellule staminali e progenitrici, la maggior parte delle cellule primarie sono cellule terminalmente differenziate di un tipo molto specifico e con un alto livello di funzione.

I modelli di cellule primarie sono ben consolidati, relativamente facili ed economici da usare, e offrono diversi vantaggi chiave rispetto all'uso di sezioni di tessuto. Il principale vantaggio di questo modello è che le cellule primarie mantengono funzioni e fenotipi simili a quelli dei tessuti/organi in vivo e l'effetto di farmaci/tossine può essere studiato su cellule primarie isolate a livello cellulare.