Otak dan sumsum tulang belakang membentuk Sistem Saraf Pusat (SSP) dan biasanya merupakan bagian tubuh pertama yang berkembang dalam embrio. Pada tahap perkembangan manusia yang signifikan, permukaan embrio biasanya terlipat dan menutup membentuk tabung, yang menandai awal perkembangan sistem saraf pusat. Ada struktur yang disebut neuropore yang terbentuk sebagai akibatnya, dan yang biasanya menutup setelah empat minggu kehamilan. Beberapa vesikel utama otak kemudian dapat berkembang. SSP terus dimodifikasi sepanjang hidup, karena sel-sel saraf yang disebut neuron menumbuhkan akson, sinapsis, dan kerucut pertumbuhan ketika dirangsang.
Perkembangan sistem saraf pusat dimulai ketika jaringan embrionik di atas struktur yang disebut notochord menjadi terdiferensiasi sebagai neurologis. Sebuah alur biasanya terbentuk dan kemudian lipatan berkembang di setiap sisi. Ini biasanya menutup di tengah dan kemudian berurutan di setiap sisi untuk membentuk tabung saraf. Kanal saraf terus berkembang dan bagian atas, atau rostral, menjadi bagian dari otak, sedangkan sisa saluran biasanya berubah menjadi sumsum tulang belakang.
Di lipatan puncak saraf, banyak sel menjadi struktur saraf yang disebut ganglia, serta jaringan pelindung yang mengelilingi otak dan sumsum tulang belakang. Vesikel yang membentuk kerangka umum untuk bagian tertentu dari otak biasanya terbentuk sesudahnya. Ini termasuk vesikel otak depan, otak tengah, dan otak belakang. Tiga lapisan sel dalam tabung saraf juga berkembang membentuk sumsum tulang belakang; sel yang berbeda dan struktur yang berbeda dalam bentuk tali pusat dari proses ini. Pada kehamilan delapan minggu dan perkembangan sistem saraf pusat, tali pusat biasanya terbentuk bersama dengan seluruh kanal tulang belakang.
Sel saraf biasanya hidup seumur hidup seseorang. Mereka bisa mati tapi bukannya digantikan oleh sel lain, koneksi antar neuron bisa berubah. Perkembangan sistem saraf pusat seringkali bergantung pada pertumbuhan akson, yang memanjang dari sel. Prosesnya dipengaruhi oleh jumlah kalsium yang tepat di setiap sel, sedangkan sinapsis di ujung akson matang biasanya terbentuk ketika protein neurotropin dipicu.
Akson tumbuh dan terhubung ke berbagai area otak. Beberapa sel dapat bertindak sebagai pemandu di sepanjang jalur tertentu, sementara molekul pada beberapa permukaan seluler dapat menolak kerucut pertumbuhan struktur akson. Komposisi kimia area tertentu dapat menyebabkan akson dan saraf diamankan di sana. Perkembangan sistem saraf pusat yang tepat biasanya paling penting selama tahap embrionik, karena dapat mempengaruhi kesejahteraan seseorang sepanjang hidup. SSP juga dipengaruhi oleh proses seluler yang terjadi hingga dewasa, yang seringkali memungkinkan otak untuk beradaptasi dengan lingkungan.