人体的发育起始于精子与卵子的结合，随后形成一个具有能发育为完整个体的细胞，即具有全能性的受精卵。受精后的最初阶段，受精卵通过卵裂形成的细胞几乎完全相同。这意味着如果把这些细胞的任何一个放入女性子宫内，均有可能发育成胎儿。实际上，当两个全能细胞分别发育为单独遗传基因型的人时，即出现了各方面都完全相同的双胞胎。受精卵继续分裂，形成由12-16个细胞组成的细胞团，称之为桑椹胚（morula）。桑椹胚前和桑椹胚期的每一个细胞都具有发育成完整胚胎的潜力，属于全能干细胞（totipotent stem cell）。大约在受精后四天，经过几个循环的细胞分裂之后，这些全能细胞开始特异化，形成一个中空环形的细胞群结构，称之为囊胚（blastula），囊胚由外层细胞和位于中空球形内的内细胞团(Inner cell mass，ICM)所构成。从囊胚期到原肠胚期之间的细胞就是通常意义的胚胎干细胞（embryonic stem cell，ESCs），这个时候的细胞是多能干细胞（pluripotent stem cell）。

外层细胞继续发展，形成胎盘以及胎儿在子宫内发育所需的其它支持组织。内细胞团亦继续发育，分化成三个胚层，即可形成各器官系统。虽然内细胞团可以形成每一种组织, 但它不能形成完整的胎儿，因为它不能形成胎盘和支持组织。这些内细胞团细胞是多能性的----它们能产生许多种类型的细胞，但并非胎儿发育所需的全部细胞类型。因为它们不是全能性的，不是胚胎，没有完全的发育潜能。如果内细胞团被放入女性子宫，它不会发育成胎儿。

多能干细胞经历进一步的特异分化，产生具有特殊功能的干细胞群体。如造血干细胞，它能产生红细胞、白细胞和血小板。又如皮肤干细胞，它能产生各种类型的皮肤细胞。又如神经干细胞，它能产生神经组织起源的成熟细胞，如神经元、少突胶质细胞和星形细胞。这些更专门化的干细胞被称为专能干细胞（multipotent stem cell）。专能干细胞分化潜能较之多能干细胞分化潜能低，但也具有多项分化功能。