Em biologia, o dimorfismo sexual é considerado quando há ocorrência de indivíduos do sexo masculino e feminino de uma espécie com características físicas não sexuais marcadamente diferentes. Pode ocorrer em qualquer grupo de seres vivos, protistas, plantas, ou animais, que apresentem espécies com indivíduos unissexuais. A função destas diferenças, em muitos casos, está relacionada à luta dos indivíduos pelo direito de se reproduzir, usando tais caracteres para lutar por um(a) parceiro(a), ou impressioná-lo(a) com os seus dotes. Em algumas plantas, especificamente, as diferenças são puramente funcionais, e não competitivas.
Um tipo comum de dimorfismo é ornamentação. Um componente freqüente de tal ornamentação dimórfico é dicromatismo sexual, o que significa que os sexos de uma mesma espécie diferem na coloração, como é o caso em muitas espécies de aves e répteis.
Características dimórficas exageradas são utilizados predominantemente na competição entre companheiros. A ornamentação podem ser caras para se produzir ou manter, o que tem implicações evolutivas complexas mas os custos e implicações variam, dependendo da natureza da ornamentação (tal como o mecanismo de cor envolvido).
A maioria das plantas são hermafroditas, mas cerca de 6% têm machos e fêmeas separados (dioicia). Machos e fêmeas em espécies dependentes da polinização de insetos geralmente são semelhantes porque as plantas fornecem recompensas (por exemplo, néctar) que incentivam os polinizadores a visitarem outra flor semelhante, completando apolinização. As orquídeas Catasetum são uma exceção a esta regra, a Catasetum macho se anexa pólens às abelhas então evitam que outras flores masculinas, mas podem visitar uma flor fêmea, que tem a aparência diferente das flores macho.
Os seres humanos exibem dimorfismo sexual em muitas características, muitas não apresentam nenhuma ligação direta com a habilidade reprodutiva, porém a maioria destas característica têm um papel na atração sexual. O dimorfismo sexual em ser humanos se observa sobretudo por cinco fatores ao nascer: a presença ou ausência do cromossomo Y, o tipo de gônadas, hormônios sexuais, anatomia reprodutiva interna (como o útero na fêmeas) e a genitália externa.
O cérebro dos seres humanos não apresenta diferenças significativas de acordo com o sexo, sendo o cérebro moldado de acordo com as experiências prévias do indivíduo, processo também conhecido como Neuroplasticidade.