Hjärnan och ryggmärgen utgör det centrala nervsystemet (CNS) och är vanligtvis bland de första kroppsdelarna som utvecklas i ett embryo. I ett betydande skede av mänsklig utveckling viks ytan av ett embryo vanligtvis och stängs för att bilda ett rör, vilket markerar början på utvecklingen av centrala nervsystemet. Det finns en struktur som kallas en neuropor som bildas som ett resultat, och som vanligtvis stängs av efter fyra veckors graviditet. Flera huvudvesiklar i hjärnan kan då utvecklas. CNS fortsätter att modifieras under hela livet, eftersom nervceller som kallas neuroner växer axoner, synapser och tillväxtkottar när de stimuleras.
Utvecklingen av det centrala nervsystemet börjar när embryonal vävnad ovanför en struktur som kallas notokorden blir differentierad som neurologisk. Ett spår bildas vanligtvis och sedan utvecklas veck på varje sida. Dessa stängs normalt av i mitten och sedan sekventiellt på varje sida för att bilda ett neuralrör. Neuralkanalen fortsätter att utvecklas och den översta, eller rostrala, delen blir delar av hjärnan, medan resten av kanalen vanligtvis förvandlas till ryggmärgen.
I nervvecken blir många celler nervstrukturer som kallas ganglier, såväl som skyddande vävnader som omger hjärnan och ryggmärgen. De blåsor som utgör den allmänna ramen för specifika delar av hjärnan bildas vanligtvis efteråt. Dessa inkluderar vesiklar i framhjärnan, mellanhjärnan och bakhjärnan. De tre lagren av celler i neuralröret utvecklas också för att bilda ryggmärgen; ur denna process bildas olika celler och olika strukturer i sladden. Vid åtta veckor av graviditeten och utvecklingen av centrala nervsystemet bildas vanligen sladden tillsammans med hela kotkanalen.
Nervceller lever vanligtvis under en persons livstid. De kan dö ut men istället för att ersättas av andra celler kan kopplingarna mellan neuroner förändras. Utvecklingen av centrala nervsystemet är ofta beroende av tillväxten av axoner, som sträcker sig från cellerna. Processen påverkas av lämplig mängd kalcium i varje cell, medan synapser i ändarna av mogna axoner vanligtvis bildas när neurotropinproteiner utlöses.
Axoner växer och ansluter till olika delar av hjärnan. Vissa celler kan fungera som guider längs en viss väg, medan molekyler på vissa cellulära ytor kan stöta bort axonstrukturernas tillväxtkoner. Den kemiska sammansättningen av särskilda områden kan göra att axoner och nerver säkras där. Korrekt utveckling av centrala nervsystemet är vanligtvis mest avgörande under embryonalstadiet, eftersom det kan påverka någons välbefinnande under hela livet. CNS påverkas också av cellulära processer som sker i vuxen ålder, vilket ofta gör att hjärnan kan anpassa sig till omgivningen.