Theo định nghĩa kinh điển, một tế bào gốc phải có 2 yếu tố sau:

· Tính chất tự làm mới (self-renewal): khả năng đi xuyên suốt các chu kỳ sinh sản của tế bào nhưng vẫn giữ được tình trạng không biệt hoá.

· Tiềm năng (potency): khả năng biệt hoá thành các dạng tế bào chuyên biệt. Trong định nghĩa mới nhất, khả năng này đòi hỏi tế bào gốc phải là totipotent hay pluripotent để có khả năng tạo ra dạng tế bào trưởng thành bất kỳ mặc dù tế bào tiền thân multipotent hay unipotent thỉnh thoảng vẫn được xem như là tế bào gốc.

Tự làm mới

Bao gồm hai cơ chế tồn tại để duy trì quần thể tế bào gốc:

1. Cơ chế sao chép bất đối xứng bắt buộc (Obligatory asymmetric replication): Một tế bào gốc chia thành một tế bào giống hệt với tế bào gốc ban đầu và một tế bào con khác biệt.

Khi tế bào gốc tự tái tạo, nó phân chia và không làm gián đoạn trạng thái không biệt hoá. Sự tự đổi mới này phụ thuộc vào sự kiểm soát chặt chẽ của chu kỳ tế bào cũng như duy trì tính đa năng của tế bào gốc.[7]

2. Cơ chế biệt hóa ngẫu nhiên (Stochastic differentiation): khi một tế bào gốc phát triển thành hai tế bào con khác biệt, một trong hai tế bào đó phải chịu sự phân bào và tạo ra hai tế bào gốc giống hệt như tế bào lúc đầu.

Tiềm năng

Tiềm năng (potency) là khả năng biệt hoá tế bào của tế bào gốc.[8]

Totipotent: tế bào gốc totipotent được tạo ra từ một noãn và tinh trùng.[8] Các tế bào totipotent có khả năng biệt hoá thành các dạng tế bào phôi và ngoài phôi.[9]

Pruripotent: tế bào gốc pruripotent là hậu duệ của tế bào gốc totipotent và có khả năng biệt hoá thành các tế bào phát xuất từ bất kỳ lớp mầm nào trong 3 lớp mầm Endoderm, Mesoderm và Ectoderm.[8][10]

Multipotent: tế bào gốc multipotent có khả năng tạo ra duy nhất các tế bào cùng họ với tế bào đó (thí dụ như tế bào gốc tạo máu thì có khả năng biệt hoá thành hồng cầu, bạch cầu, tiểu cầu…) [8]

Oligopotent: Tế bào gốc Oligopotent có thể phân biệt thành một số loại tế bào, chẳng hạn như các tế bào gốc lymphoid hoặc tủy xương.

Unipotent: tế bào gốc unipotent có khả năng tạo ra duy nhất một loại tế bào nhưng vẫn có tính chất tự làm mới, đây là điểm để phân biệt với tế bào không phải tế bào gốc (thí dụ: tế bào gốc cơ).[8]