Selama periode prenatal, embrio manusia berubah dari beberapa sel menjadi bayi yang terbentuk sempurna dalam waktu sekitar 38 minggu. Otak manusia memiliki garis waktu pertumbuhannya sendiri selama periode ini, dan cenderung konsisten untuk janin manusia yang sehat. Tahap utama perkembangan otak prenatal terjadi selama sembilan bulan kehamilan, termasuk pembentukan tabung saraf pada bulan pertama, pertumbuhan korteks serebral pada bulan kedua, perkembangan indera pada bulan keempat dan pemisahan. korteks menjadi lobus pada bulan keenam.
Para ilmuwan telah mampu menemukan garis waktu untuk perkembangan otak pranatal yang normal berkat beberapa jalan penelitian. Ini termasuk penyelidikan postmortem pada embrio dan janin yang tidak bertahan hidup dalam berbagai tahap perkembangan janin. Dokter juga telah melakukan eksperimen dan pembedahan pada janin hewan yang memiliki struktur otak serupa dengan manusia, seperti monyet. Terakhir, teknologi modern seperti pencitraan memungkinkan para ilmuwan untuk memeriksa dan memantau perkembangan otak prenatal pada janin saat mereka masih dalam kandungan ibu mereka. Melalui semua metode ini, para ahli telah memetakan perkembangan fisik otak serta perkembangan emosional dan mental.
Perkembangan otak prenatal dimulai pada bulan pertama periode prenatal. Selama waktu ini, semua organ utama lainnya mulai terbentuk. Pada minggu ketiga kehidupan, jantung manusia telah mulai berdetak. Kira-kira pada saat inilah bentuk paling awal dari otak mulai terbentuk. Disebut tabung saraf, struktur ini akhirnya berkembang menjadi sumsum tulang belakang dan otak.
Pada bulan kedua dan ketiga perkembangan, fitur wajah embrio mulai berkembang menjadi bentuk yang lebih manusiawi, termasuk mulut, hidung, mata, kelopak mata, dan telinga. Tabung saraf saat ini mulai berubah menjadi apa yang akan menjadi bagian utama otak, termasuk korteks serebral. Sejalan dengan itu, pada bulan ketiga perkembangan prenatal, embrio mulai menunjukkan reaksi dan refleks. Reaksi janin terhadap pengalaman luar, seperti cahaya terang dan suara bising, terus berkembang hingga bulan keempat, begitu pula dengan kemampuan bayi untuk membuat ekspresi wajah.
Bulan kelima perkembangan otak prenatal mulai terlihat janin benar-benar mengontrol ekspresi dan reaksi tersebut. Pada titik ini, perkembangan fisik sedemikian rupa sehingga janin dapat meregang dan bahkan membalik di dalam rahim. Para ahli percaya bahwa kemampuan untuk secara sadar bereaksi terhadap sensasi menjadi lebih kuat selama bulan keenam, ketika korteks serebral terbagi menjadi lobus yang terpisah. Janin pada titik ini bahkan mungkin memiliki kemampuan untuk mengingat.
Tahap akhir perkembangan otak prenatal pada trimester terakhir menyebabkan otak menjadi hampir mirip dengan otak manusia yang telah terbentuk sepenuhnya, setidaknya dalam strukturnya. Pada bulan ketujuh, otak prenatal mengembangkan tampilan berlekuk dan melengkung yang terkait dengan otak orang dewasa, dan mielin berkembang di bagian luar saraf dari otak untuk melindunginya. Gelombang otak dapat dideteksi. Kemudian pada bulan kedelapan, korteks utama terbentuk, seperti pendengaran dan visual, memungkinkan janin untuk memahami apa yang dia lihat dan dengar. Otak janin mengandung sel-sel neuron sebanyak otak orang dewasa pada bulan terakhir, meskipun hanya akan menjadi seperempat ukuran orang dewasa saat lahir.