細胞核的主要機能是調控基因表現，并調節細胞周期中的DNA復制過程。細胞核是轉錄作用所發生的位置，由與可與細胞質中的轉譯作用隔離，使真核生物得以擁有一些原核生物所缺乏的基因調節能力。
細胞分隔
核膜使細胞核可掌控其內容物，并使這些物質與外部的細胞質隔離開來。這種作用對于核膜內外兩側的各種調控處理作用皆相當重要。有時細胞質中的處理作用必須受到限制，這時參與作用的關鍵物質就會移動到細胞核中，并與轉錄因子作用以進行負向調節，進而抑制反應路徑中特定酵素的生成。以降解葡萄糖并生成能量的反應途徑糖解作用為例，參與其中的己糖激酶負責催化第一個步驟，使葡萄糖轉變成葡萄糖-6-磷酸。當糖解作用的后期產物果糖-6-磷酸濃度較高時，調控蛋白就會將六碳糖激酶移入細胞核，使其與核內蛋白質組合成為轉錄抑制復合物，以減弱糖解作用相關基因的表現。
為了調控正在轉錄當中的基因，細胞可將某些參與調節基因表現的轉錄因子與DNA隔離，直到這些因子在其他訊息傳遞路徑中活化。不必要的基因表現即使只有少量，也會在此過程中受到阻礙。以參與大部分發炎反應的NF-κB調控基因為例，轉錄作用會受一連串訊息路徑所誘導，一開始是TNF-α訊號分子與細胞膜上的受器結合，導致訊號蛋白的重新補充，最后使NF-κB受到活化。NF-κB上的核定位信號可使其經由核孔運輸進入細胞核內，刺激目標基因的轉錄。
分隔作用也可以防止細胞對尚未經過剪接的mRNA進行轉譯，因為真核生物的mRNA必須在轉譯作用開始之前去除其中的內含子，才能合成有用的蛋白質。mRNA在與核糖體接觸并開始轉譯以前，會先在細胞核中進行剪接作用，如果沒有細胞核，那么未經處里的mRNA就會受到轉譯，進而產生形狀錯誤，且功能無用的蛋白質。
基因表現
還在進行轉錄合成的核糖體RNA，可見正在增長的初級轉錄產物。右方箭頭所指為DNA的3'端，為RNA合成起始點；左方箭頭所指是5'端，是近乎完成的初級轉錄產物。
基因表現的第一步是轉錄，此過程利用DNA作為模板來合成RNA。具有蛋白質編碼的基因，會轉錄生成信使RNA（mRNA），而mRNA則會在稍后的轉譯作用中，經由核糖體的作用合成出蛋白質。由于核糖體位于細胞核外側，因此mRNA必須在合成后送出核外。
因為細胞核是轉錄進行位置，所以含有多種不同的蛋白質，有些直接參與轉錄；有些則參與相關的調節作用。這些蛋白質包括可以將雙股DNA螺旋解開，幫助其他蛋白與其接觸的螺旋酶；或是可以合成RNA的RNA聚合酶；以及可以改變DNA超螺旋程度的拓樸異構酶；還有多種調節基因表現的轉錄因子。