Prenatal hjerneudvikling begynder i den tredje svangerskabsuge med differentiering af stamceller, som er i stand til at producere alle de forskellige celler, der udgør hjernen (Stiles & Jernigan, 2010). Placeringen af disse stamceller i embryoet kaldes den neurale plade. Ved udgangen af den tredje uge vises to kamme langs den neurale plade, der først danner den neurale rille og derefter neuralrøret. Det åbne område i midten af neuralrøret danner hjernens ventrikler og rygmarvskanalen. Ved udgangen af den embryonale periode eller uge otte er neuralrøret yderligere differentieret i forhjernen, mellemhjernen og baghjernen.
hjerneudvikling i fosterperioden involverer neuronproduktion, migration og differentiering. Fra den tidlige fosterperiode indtil midgestation er de fleste af de 85 milliarder neuroner blevet genereret, og mange er allerede migreret til deres hjernepositioner. Neurogenese eller dannelsen af neuroner er stort set afsluttet efter fem måneders svangerskab. En undtagelse er i hippocampus, som fortsætter med at udvikle neuroner gennem hele livet. Neuroner, der danner neokorteksen, eller laget af celler, der ligger på overfladen af hjernen, migrerer til deres placering på en ordnet måde. Neural migration er for det meste afsluttet med 29 uger. Når neuroner først er i position, begynder de at producere dendritter og aksoner, der begynder at danne de neurale netværk, der er ansvarlige for informationsbehandling. Regioner i hjernen, der indeholder cellelegemerne, kaldes det grå Stof, fordi de ser grå ud. Aksonerne, der danner de neurale veje, udgør det hvide stof, fordi de er dækket af myelin, et fedtstof, der er hvidt i udseende. Myelin hjælper med både isolering og effektivitet af neural transmission. Selvom celledifferentiering er afsluttet ved fødslen, fortsætter væksten af dendritter, aksoner og synapser i årevis.