Những bất thường trong việc điều hòa chu kỳ tế bào có thể dẫn tới việc hình thành các khối u. Như đã nói, một số gien như các gien ức chế chu kỳ tế bào (RB, p53...) khi bị đột biến có thể khiến tế bào sinh sản vô tội vạ và hình thành khối u. Mặc dù chu kỳ tế bào khối u bằng hay dài hơn tế bào bình thường, trong các khối u tỉ lệ tế bào trong trạng thái sẵn sàng phân bào so với các tế bào ở trạng thái pha G0 cao hơn nhiều so với các tế bào bình thường; trong khi đó các tế bào bị chết rụng hay già lão vẫn không thay đổi. Chính vì thế mà tính tổng cộng thì số tế bào khối u sẽ từ từ tăng dần lên.

Những tế bào đang trải qua chu kỳ một cách tích cực là mục tiêu trong các liệu pháp chữa bệnh ung thư vì các ADN của chúng bộc lộ tương đối rõ rệt trong quá trình phân bào và vì vậy chúng dễ bị tổn thương bởi các loại thuốc hay tia bức xạ. Việc này được tận dụng tối đa trong việc điều trị ung thư bởi một phương pháp mang tên là debulking, lúc này một số lớn các tế bào khối u bị loại bỏ và điều này khiến một số lớn tế bào khối u còn trong pha G0 bị chuyển sang pha G1 (do dinh dưỡng, ôxi, nhân tố sinh trưởng,... dồi dào hơn vì các tế bào giảm đi). Các tế bào này nhanh chóng bị tiêu diệt bởi tia bức xạ hay thuốc ngay khi mới chớm thực thi chu kỳ tế bào.[19] Nhìn chung, các tế bào dễ bị tổn thương nhất vào cuối pha M và vào pha G2, còn sức chống chịu đối với bức xạ cao nhất ở cuối pha S. Đối với những tế bào có chu kỳ dài và pha G1 dài, chúng cũng có sức kháng cự tốt ở cuối pha G1. Kiểu đề kháng này liên quan đến mức độ các hợp chất sulfhydryl trong tế bào. Sulfhydryl có tác dụng kháng bức xạ và có mức độ cao nhất ở pha S và thấp nhất ở gần pha nguyên phân.

Tế bào động vật có vú có chu kỳ ngắn nhất trong môi trường nuôi cấy là tế bào ung thư biểu mô ruột - với chu kỳ kéo dài từ 9 đến 10 giờ. Còn tế bào gốc trong da chuột có thể có chu kỳ kéo dài đến 200 giờ. Những sự khác biệt này chủ yếu do khác biệt về thời gian ở pha G1, còn các pha M và S thì ít thay đổi.