Der Nukleolus ist die bei weitem am leichtesten zu erkennende Substruktur im eukaryotischen Zellkern und kann mit einer Vielzahl von Farbstoffen sowie durch Phasenkontrastmikroskopie sichtbar gemacht werden. In der Hefe nimmt der einzelne Nukleolus fast die Hälfte des Zellkerns ein. Zellen anderer Arten haben oft mehrere Nukleoli. Der Nukleolus ist eine Ribosomenfabrik, die aus Desoxyribonukleinsäure (DNA), Ribonukleinsäure (RNA) und Protein besteht. Im Nukleolus wird ein langes Vorläufermolekül der ribosomalen RNA (rRNA) von der DNA transkribiert, zu drei reifen RNAs verarbeitet und zusammen mit spezifischen Proteinen verpackt, um die großen und kleinen ribosomalen Untereinheiten zu bilden. Sobald die Untereinheiten zusammengebaut sind, werden sie aus dem Nukleolus in das Zytoplasma transportiert, um bei der Translation (Proteinsynthese) verwendet zu werden.
Nukleoli sind keine statischen Strukturen. Sie bauen sich während der Mitose ab und bilden sich in der frühen G1-Phase neu. Die Bildung von Nukleoli führt nicht zur Expression von rRNA-Genen. Vielmehr sind Nukleoli das Ergebnis der rRNA-Transkription und -Prozessierung.
Unter dem Elektronenmikroskop betrachtet, besteht ein Nukleolus aus zwei verschiedenen Teilen: der fibrillären Komponente und der granulären Komponente. Die fibrilläre Komponente kann in zwei Kompartimente unterteilt werden: die dichte fibrilläre Komponente und das fibrilläre Zentrum. Fibrilläre Zentren enthalten große Mengen an RNA-Polymerase I, die rRNA transkribiert. Es wird angenommen, dass die Transkription der rRNA-Gene an der Schnittstelle zwischen der dichten fibrillären Komponente und dem fibrillären Zentrum stattfindet. Spätere Phasen des Ribosomenaufbaus finden in der granularen Komponente statt.
Menschliche Chromosomen enthalten fünf nukleolare Organisatorregionen (NORs), die sich auf den kurzen Armen der Chromosomen 13, 14, 15, 21 und 22 befinden. Beim Menschen enthält jedes NOR etwa hundert tandemartig wiederholte rRNA-Gen-Kopien. Die NORs verschiedener Chromosomen kommen normalerweise in der Interphase zusammen. Daher besteht ein einziger Nukleolus oft aus rRNA-Genen von zwei oder mehr verschiedenen NORs. Einige Arten haben nur ein einziges NOR-tragendes Chromosom und damit einen einzigen Nukleolus.
Zusätzlich zu der bekannten Funktion der Nukleoli beim Ribosomenaufbau deuten neuere Erkenntnisse darauf hin, dass Nukleoli auch an mehreren anderen zellulären Prozessen beteiligt sind, einschließlich des Aufbaus und der Modifikation verschiedener kleiner Ribonukleoproteine (RNPs), der Sequestrierung wichtiger zellzyklusregulierender Proteine, des Exports anderer nichtribosomaler RNAs und der Kontrolle der zellulären Seneszenz oder Alterung.