Le développement du cerveau prénatal commence à la troisième semaine de gestation par la différenciation des cellules souches, qui sont capables de produire toutes les différentes cellules qui composent le cerveau (Stiles & Jernigan, 2010). L’emplacement de ces cellules souches dans l’embryon est appelé plaque neurale. À la fin de la troisième semaine, deux crêtes apparaissent le long de la plaque neurale formant d’abord le sillon neural, puis le tube neural. La région ouverte au centre du tube neural forme les ventricules du cerveau et le canal rachidien. À la fin de la période embryonnaire, ou huitième semaine, le tube neural s’est encore différencié en cerveau antérieur, mésencéphale et postérieur.
Le développement du cerveau pendant la période fœtale implique la production, la migration et la différenciation des neurones. Depuis le début de la période fœtale jusqu’à la mi-grossesse, la plupart des 85 milliards de neurones ont été générés et beaucoup ont déjà migré vers leurs positions cérébrales. La neurogenèse, ou la formation de neurones, est en grande partie terminée après cinq mois de gestation. Une exception est dans l’hippocampe, qui continue de développer des neurones tout au long de la vie. Les neurones qui forment le néocortex, ou la couche de cellules qui se trouvent à la surface du cerveau, migrent vers leur emplacement de manière ordonnée. La migration neuronale est principalement terminée par 29 semaines. Une fois en position, les neurones commencent à produire des dendrites et des axones qui commencent à former les réseaux de neurones responsables du traitement de l’information. Les régions du cerveau qui contiennent les corps cellulaires sont appelées Matière grise parce qu’elles ont l’air grises. Les axones qui forment les voies neurales constituent la Substance blanche car ils sont recouverts de myéline, une substance grasse d’apparence blanche. La myéline contribue à la fois à l’isolation et à l’efficacité de la transmission neuronale. Bien que la différenciation cellulaire soit complète à la naissance, la croissance des dendrites, des axones et des synapses se poursuit pendant des années.