Τα χρωμοσώματα, τα οποία περιέχουν γενετικές πληροφορίες στα κύτταρα πολλών διαφορετικών οργανισμών, μπορούν να μεταλλαχθούν μέσω μιας ποικιλίας διαφορετικών διεργασιών, συχνά εις βάρος του μεταλλαγμένου οργανισμού. Μια χρωμοσωμική μετάλλαξη λαμβάνει χώρα στο επίπεδο των χρωμοσωμάτων, που σημαίνει ότι ολόκληρη η δομική μονάδα του χρωμοσώματος μεταβάλλεται με κάποιο τρόπο. Μια χρωμοσωμική μετάλλαξη θεωρείται συχνά ότι είναι διαφορετική από μια γονιδιακή μετάλλαξη, στην οποία μόνο ένα γονίδιο σε ένα χρωμόσωμα αλλάζει από μια μετάλλαξη. Οι χρωμοσωμικές μεταλλάξεις συμβαίνουν σε μεγαλύτερη κλίμακα που επηρεάζει ένα σημαντικό μέρος ολόκληρου του χρωμοσώματος, έτσι πολλά γονίδια μπορεί να επηρεαστούν από μία μόνο μετάλλαξη.
Μια χρωμοσωμική μετάλλαξη ταξινομείται γενικά με βάση τη συγκεκριμένη δομική αλλαγή που γίνεται στο χρωμόσωμα ή στα χρωμοσώματα. Ένας τύπος μετάλλαξης, για παράδειγμα, είναι μια σύντηξη. συμβαίνει όταν δύο διαφορετικά χρωμοσώματα ή τμήματα χρωμοσωμάτων συγχωνεύονται σε ένα. Οι ερευνητές στην πραγματικότητα πιστεύουν ότι το ανθρώπινο δεύτερο χρωμόσωμα είναι μια σύντηξη δύο χρωμοσωμάτων που κατείχαν προανθρώπινοι πρόγονοι. Ένας άλλος τύπος χρωμοσωμικής μετάλλαξης αναφέρεται ως αναστροφή και συμβαίνει όταν ένα τμήμα ενός χρωμοσώματος αναστρέφεται. Οι αναστροφές συχνά δεν προκαλούν ορατές μεταλλάξεις στον οργανισμό, καθώς όλες οι γενετικές πληροφορίες είναι γενικά άθικτες και αναλλοίωτες — αν και αυτό δεν συμβαίνει πάντα.
Όταν μια χρωμοσωμική μετάλλαξη μεταβάλλει τον αριθμό των αντιγράφων ενός συγκεκριμένου γονιδίου στο γονιδίωμα ενός οργανισμού, είναι πολύ πιο πιθανό να προκαλέσει κάποια αισθητή ή σημαντική επίδραση στον οργανισμό. Οι κοινές μεταλλάξεις αυτής της μορφής περιλαμβάνουν εισαγωγές, οι οποίες εισάγουν ένα νέο τμήμα σε ένα χρωμόσωμα και διαγραφές, οι οποίες αφαιρούν ένα τμήμα από το χρωμόσωμα. Και οι δύο αυτοί τύποι χρωμοσωμικών μεταλλάξεων έχουν ως αποτέλεσμα μια αλλαγή στα αντίγραφα ενός γονιδίου ή των γονιδίων που υπάρχουν. Η υπερέκφραση ή η υποέκφραση ενός γονιδίου, ένα από τα οποία μπορεί να προκύψει από τέτοιες μεταλλάξεις, μπορεί και τα δύο να προκαλέσουν δραστικά αποτελέσματα στη γονιδιακή έκφραση μέσα σε έναν οργανισμό. Στη λευκή μετάλλαξη στη μύγα των φρούτων Drosophila melanogaster, για παράδειγμα, η αποτυχία να εκφραστεί επαρκώς ένα γονίδιο που κωδικοποιεί τη μελάγχρωση των ματιών οδηγεί σε μύγες με λευκά μάτια.
Οι ερευνητές έχουν πολλούς διαφορετικούς τρόπους αναγνώρισης μιας συγκεκριμένης χρωμοσωμικής μετάλλαξης ή γονιδιακής μετάλλαξης. Οι οργανισμοί με διαφορετικά γενετικά χαρακτηριστικά μπορούν να διασταυρωθούν σε διαφορετικούς συνδυασμούς προκειμένου να αναπτυχθεί ένας γενικός «χάρτης» που υποδηλώνει τη θέση μιας δεδομένης μετάλλαξης. Οι ερευνητές μπορούν επίσης να αλληλουχούν μέρη του γονιδιώματος του οργανισμού. Η αλληλουχία παρουσιάζει στους ερευνητές μια λεπτομερή άποψη των γενετικών πληροφοριών ενός οργανισμού και της θέσης του σε ένα χρωμόσωμα.