Die Einbringung genmodifizierten Materials in eine Zielzelle mittels nicht-viraler (auch: physikochemischer) Vektoren wird als Transfektion bezeichnet. Nachteile gegenüber der Verwendung viraler Vektoren bestehen neben dem Problem der Überwindung der Membran der Zielzelle vor allem in Schwierigkeiten hinsichtlich der erfolgreichen Integration des Transgens. Da bei diesen Methoden häufig hohe Kopiezahlen der Transgene in die Zelle eingebracht werden müssen, um eine Beschädigung oder Zerstörung der DNA-Sequenz – etwa durch zelleigene Ribonukleasen (Enzyme, zu deren Funktionen u. a. der Abbau von RNA zählt) – zu vermeiden, steigt das Risiko einer fehlerhaften Integration derselben. Die Vorteile nicht-viraler Vektoren bestehen hingegen in der erhöhten biologischen Sicherheit für die erkrankte Person aufgrund des Verzichts auf virale Elemente und das dadurch verringerte Risiko einer immunologischen Reaktion. Zudem besteht eine geringere Limitation hinsichtlich der Größe des Transgens.

Gemeinhin lassen sich zwei Varianten nicht-viraler Vektoren unterscheiden: 

Eine Möglichkeit der Transfektion besteht in der Durchdringung der Membran der Zielzelle mithilfe physikalischer Verfahren und der anschließenden Einbringung des Transgens. Dies kann etwa mithilfe elektrischer Impulse (Elektroporation), magnetischer Felder (Magnetofektion), Ultraschall (Sonoporation), der mechanischen Injektion von DNA (Mikroinjektion) oder unter Einsatz einer sogenannten Genkanone (gene gun) erfolgen. 

Die zweite Variante besteht im Einsatz chemischer Verfahren, etwa unter Verwendung kationischer Lipide oder kationischer Polymere, welche über elektrostatische Interaktion verdichtete Komplexe mit der negativ geladenen DNA bilden. Diese Verbindung schützt das Transgen und sorgt gleichzeitig für eine erfolgreiche Einbringung in die Zielzelle sowie eine intrazelluläre Integration des Transgens. Auch der Einsatz anorganischer Partikel aus Calciumsulfat, Silizium, Gold o. Ä. zählt zu den chemischen Verfahren. Da einige chemische Vektoren zudem synthetisch hergestellt werden können, spricht man in diesem Zusammenhang auch von synthetischen Vektoren.