Pembuahan ganda adalah mekanisme pembuahan yang kompleks pada tumbuhan berbunga. Proses ini melibatkan peleburan gametofit betina atau megagametofit—yang juga disebut kantung embrio—dengan dua gamet jantan (dua sel sperma). Proses dimulai ketika butir serbuk sari menempel pada permukaan stigma dari karpel, yaitu struktur reproduksi betina pada bunga angiosperma. Butir serbuk sari kemudian berkecambah (kecuali pada spesies yang memiliki sistem ketidakcocokan diri yang bekerja pada tingkat stigma), membentuk tabung serbuk sari yang menembus dan memanjang ke bawah melalui tangkai putik menuju ovarium, mengikuti sinyal kimia yang dilepaskan oleh sel telur. Ujung tabung serbuk sari kemudian memasuki ovarium dengan menembus mikropil pada bakal biji, dan melepaskan dua sperma ke dalam kantung embrio (megagametofit).

Kantung embrio yang matang pada bakal biji yang belum dibuahi terdiri dari 7 sel dan 8 inti. Susunannya adalah 3 + 1 + 3 (dari atas ke bawah): 3 sel antipoda, 1 sel pusat (berinti dua), 2 sinergid, dan 1 sel telur. Satu sperma membuahi sel telur dan sperma lainnya menyatu dengan dua inti polar pada sel pusat megagametofit. Sperma haploid dan sel telur haploid bergabung membentuk zigot diploid, proses yang disebut singami, sedangkan sperma lainnya bergabung dengan sel pusat diploid menghasilkan sel endosperma primer triploid (triple fusion). Beberapa tumbuhan dapat membentuk inti poliploid. Sel besar dari gametofit kemudian berkembang menjadi endosperma, jaringan kaya nutrisi yang memberi makan embrio yang sedang berkembang. Ovarium yang mengelilingi bakal biji berkembang menjadi buah, yang melindungi biji dan dapat membantu dalam penyebarannya.^[1]

Dua inti polar maternal dalam sel pusat, yang berkontribusi pada pembentukan endosperma, berasal dari mitosis satu produk meiosis yang sama yang menghasilkan sel telur. Dengan demikian, kontribusi genetik maternal pada endosperma triploid adalah dua kali lipat dibandingkan kontribusi dari sperma.

Pada penelitian tahun 2008 pada Arabidopsis thaliana, migrasi inti jantan ke dalam gamet betina, dan fusi dengan inti betina, berhasil didokumentasikan untuk pertama kalinya melalui pencitraan in vivo. Beberapa gen yang terlibat dalam proses migrasi dan fusi tersebut juga berhasil diidentifikasi.^[2]

Bukti pembuahan ganda pada Gnetales, yaitu tumbuhan berbiji tidak berbunga, juga telah dilaporkan.^[3]

Pembuahan ganda ditemukan lebih dari satu abad yang lalu oleh Sergei Nawaschin di Kyiv,^[4] dan Léon Guignard di Prancis. Keduanya membuat penemuan ini secara independen.^[5] Spesies Lilium martagon dan Fritillaria tenella digunakan dalam pengamatan pertama pembuahan ganda, yang dilakukan menggunakan mikroskop cahaya klasik. Karena keterbatasan mikroskop cahaya, banyak pertanyaan tentang proses ini tidak terjawab pada saat itu. Namun, dengan perkembangan mikroskop elektron, banyak pertanyaan tersebut akhirnya terjawab. Secara khusus, pengamatan oleh kelompok W. Jensen menunjukkan bahwa gamet jantan tidak memiliki dinding sel, dan membran plasma gamet sangat dekat dengan membran plasma sel yang mengelilinginya di dalam butir serbuk sari.^[6]