Prenataalinen aivojen kehitys alkaa kolmannella raskausviikolla kantasolujen erilaistumisella. kantasolut kykenevät tuottamaan kaikkia aivojen eri soluja (Stiles & Jernigan, 2010). Näiden kantasolujen sijaintia alkiossa kutsutaan hermolevyksi. Kolmannen viikon lopulla hermolevyä pitkin ilmestyy kaksi harjannetta, jotka muodostavat ensin hermouran ja sitten hermostoputken. Avoin alue hermoputken keskellä muodostaa aivojen kammiot ja selkäydinkanavan. Alkiojakson loppuun eli viikkoon kahdeksan mennessä hermostoputki on eriytynyt edelleen etuaivoihin, keskiaivoihin ja takaaivoihin.
aivojen kehitykseen sikiöaikana liittyy neuronien tuotantoa, migraatiota ja erilaistumista. Varhaisesta sikiökaudesta keskivartaloon asti suurin osa 85 miljardista hermosolusta on syntynyt ja monet ovat jo siirtyneet aivoasentoihinsa. Neurogeneesi eli hermosolujen muodostuminen saadaan suurelta osin päätökseen viiden kuukauden raskauden jälkeen. Yksi poikkeus on hippokampus, joka jatkaa neuronien kehittymistä läpi elämän. Neuronit, jotka muodostavat neokorteksin eli aivojen pinnalla olevan solukerroksen, siirtyvät paikalleen järjestyneesti. Hermomuutto tapahtuu pääosin 29 viikossa. Kun neuronit ovat asennossa, ne alkavat tuottaa dendriittejä ja aksoneja, jotka alkavat muodostaa informaation käsittelystä vastaavia hermoverkostoja. Aivojen alueita, jotka sisältävät solurungot, kutsutaan harmaaksi aineeksi, koska ne näyttävät harmailta ulkonäöltään. Hermoratoja muodostavat aksonit muodostavat valkoisen aineen, koska ne ovat myeliinin, rasvaisen aineen peitossa, joka on ulkonäöltään valkoista. Myeliini auttaa sekä hermosiirron eristämisessä että tehokkuudessa. Vaikka solujen erilaistuminen on täydellinen jo syntyessään, dendriittien, aksonien ja synapsien kasvu jatkuu vuosia.