Prenatal hjerneutvikling begynner i tredje svangerskapsuke med differensiering av stamceller, som er i stand til å produsere alle de forskjellige cellene som utgjør hjernen (Stiles & Jernigan, 2010). Plasseringen av disse stamceller i embryoet refereres til som nevralplaten. Ved slutten av den tredje uken vises to rygger langs nevrale platen, først som danner nevrale sporet og deretter nevrale røret. Den åpne regionen i midten av nevrale røret danner hjernens ventrikler og spinalkanalen. Ved slutten av embryonale perioden, eller uke åtte, har nevrale røret ytterligere differensiert i forebrain, midbrain og hindbrain.
Hjerneutvikling i fosterperioden innebærer neuronproduksjon, migrasjon og differensiering. Fra tidlig fosterperiode til midgestation har de fleste av de 85 milliarder nevronene blitt generert, og mange har allerede migrert til hjerneposisjonene. Neurogenese, eller dannelsen av nevroner, er i stor grad fullført etter fem måneders svangerskap. Et unntak er i hippocampus, som fortsetter å utvikle nevroner gjennom livet. Neuroner som danner neocortex, eller laget av celler som ligger på overflaten av hjernen, migrerer til deres plassering på en ordnet måte. Neural migrasjon er for det meste fullført av 29 uker. En gang i posisjon begynner nevroner å produsere dendriter og axoner som begynner å danne nevrale nettverk som er ansvarlige for informasjonsbehandling. Områder i hjernen som inneholder cellelegemene, refereres til Som Den Grå Saken fordi de ser grå ut i utseende. Axonene som danner nevrale veier utgjør Den Hvite Saken fordi de er dekket av myelin, et fettstoff som er hvitt i utseende. Myelin hjelpemidler i både isolasjon og effektiviteten av nevrale overføring. Selv om celledifferensiering er fullført ved fødselen, fortsetter veksten av dendritter, axoner og synapser i årevis.