Trước khi thay đổi hình dạng nhằm tạo ra một công cụ tối chuyên biệt thì tế bào não là một phần của đám tế bào không khác biệt với tế bào da.Hệ thần kinh trung ương được hình thành rất nhanh ngay khi còn trong phôi người vì nó phải kiểm soát các hoạt động trọng yếu sau này. Trong 21 ngày đầu tiên, hệ thần kinh chiếm 90% khối lượng phôi, sau 3 tháng nó chiếm nó chiếm 70% khối lượng phôi, sau đó là 40% ở trẻ sơ sinh và cuối cùng là chỉ còn lại 2% ở người trưởng thành.

Phôi ở tuần thứ 3 là một đám tế bào bên trong có chứa một chiếc đĩa gồm 3 phiến lá xếp chồng lên nhau. Lá phôi thứ nhất sẽ hình thành nên da và mô thần kinh, lá thứ 2 sẽ cho ra cơ và xương, lá phôi cuối cùng sẽ hình thành nên các cơ quan nội tạng. Vào ngày thứ 18 thì hệ thần kinh sơ khai được hình thành, quá trình này được gọi là sự hình thành hệ thần kinh. Hiện tượng này bắt đầu khi lá phôi thứ nhất dày lên, dài ra và tạo thành một loại vợt trên lưng phôi. Chiếc vợt này dần hỏm xuống tạo thành rãnh, và rãnh này sẽ khép lại vào ngày thứ 24 để tạo ra ống thần kinh. Chính ống thần kinh này sẽ tạo ra hệ thần kinh trung ương, phần phía trước là não và phần phía sau là tủy sống. Phần phía trên của ống thần kinh kể từ khi đó phát triển ra rất lớn. Và chiếc túi (những cơ quan rỗng hình túi) được hình thành vào cuối tháng thứ 3. Túi thứ nhất ở phía đầu mút của ống thần kinh nhanh chóng tạo ra hai bán cầu não. Túi thứ hai, phát sinh từ ống nằm ngay phía dưới, tạo ra thân não. Phần cuối cùng của ống ở phía dưới tạo ra một chiếc túi thứ ba chia ra làm hai phần tạo ra tiểu não và hành não.

Những bộ phôi đầu tiên được hình thành từ các tế bào gốc là những tế bào đa năng có thể là nguồn gốc của tất cả các tế bào trong cơ thể. Các tế bào gốc hiện trong các tầng sâu của ống thần kinh, sau đó chúng phân ra và di chuyển đến các tầng phía trên mặt. Quá trình di chuyển này kéo dài trong hai đến ba tháng đầu đời sống phôi thai. Những tế bào đó, dưới tên gọi là nguyên bào thần kinh và nguyên bào thần kinh đệm, là những tế bào tiên phong của các tế bào thần kinh và tế bào đệm.

Để đến được cái đích đã định sẵn, các nguyên bào thần kinh phải bám dọc theo chiều dài của những tế bào, hướng từ phần giữa đến phần ngoại vi. Những tế bào mà chúng bám vào này là những tế bào thần kinh đệm quay, những tế bào sau đó sẽ tự tiêu hủy. Trong quá trình di chuyển, các tế bào thần kinh tương lai bắt đầu thay đổi. Phần đuôi kéo dài của chúng mọc ra theo các tín hiệu hóa học và thiết lập mối quan hệ với các tế bào đích và giữa các tế bào thần kinh với nhau. Những tế bào thần kinh không kết hợp được với các tế bào khác sẽ chết đi, cho phép toàn bộ mạng lưới tổ chức sắp xếp lại một cách vô cùng chính xác.Về phía các nguyên bào thần kinh đệm, chúng cũng sẽ biến đổi thành những tế bào thần kinh đệm và bắt đầu đảm nhiệm việc tiếp tế, kiểm soát chất thải, bao bọc các phần kéo dài của tế bào thần kinh.