虽然是双胞胎，但同母异父，听上去像是天方夜谭，但是的确可能发生，虽然发生的概率只有百万分之一。这种情况的双胞胎是异卵双胞胎，因为异卵双胞胎是由两个卵子与两个精子的结合。
正常女性的排卵是一个月排一个卵子，但是也有罕见女性一个月排两个卵子。如果月经周期同时有两个卵子排出，这女子又在排卵期之内跟不同男子发生性关系，那么优质精子受精就有可能来源于两个不同男子的精子，形成同母异父的单次怀孕的双胞胎。
由于精子的存活时间为72小时，卵子在体内保存的时间是48小时，这就意味着女子若是在排卵前后三天之内先后和不同男子发生关系，那么就会造成双胞胎同母异父的情况。
试管婴儿手术也可使双胞胎同母异父
除了自然发生，其实同母异父的双胞胎还可以通过试管婴儿手术做到，不过没人会愿意双胞胎是同母异父。
医学上可以通过把多个胚胎植入子宫的方法来培育双胞胎，这称之为辅助生育技术。但是由于成功率不高，并不能保证一定能怀上双胞胎，也可能是单胎或多胞胎。
女性服用促排卵药物使排出多个卵子，这样就有怀上双胞胎的可能，但是风险较大，近年来怀上五胞胎甚至七胎导致胎儿无法存活的案例也不少。
而且对女性健康也有一定的伤害，可能会引起卵巢过度刺激综合征、卵巢囊肿、卵巢破裂、血液栓塞等问题，因此目前国内的医院一般不允许有正常生育能力的夫妻使用辅助生育技术，只有已经确定有不孕指征，或是为了避免遗传性疾病时，才有可能被允许使用辅助生育技术。