종양 이질성은 다른 개체의 동일 암종 또는 한 종양 안에서 암세포들의 생물학적 특성이 서로 다른 것을 뜻한다. 1980년대 초 몇몇 병리학자들이 현미경 상의 종양세포들 사이에 형태학적인 차이가 있음을 발견했고, 이후 유전체 분석 기술이 발전하면서 종양 조직 안에 서로 다른 암세포들이 있다는 것이 규명됐다.

종양 이질성은 유전체, 후성 유전체, 단백질체 등의 변이가 원인이 되어 나타난다. 이에 따라 종양세포 별 세포의 증식, 대사 과정, 유전자발현 등의 세포생물학적 특성이 달라진다. 종양 이질성이 있으면 한 가지 방법으로 모든 종양세포를 동시에 치료할 수 없으므로 종양 재발의 원인이 된다고 알려졌다.