胚胎中的干细胞可以产生大量的细胞，并进一步分化形成人类体内所有的200种细胞。人类早期胚胎中的内细胞团（如图17所示）含有三种类型共50~150个细胞。1981年，马丁·埃文斯（MartinEvans）与马修·考夫曼（MatthewKaufman）共同发明了小鼠胚胎培养与胚胎细胞系分离的新技术。同年，盖尔·马丁（GailMartin）首先使用“胚胎干细胞”一词，用以描述所分离的胚胎细胞系。8年后，詹姆斯·汤姆森（JamesThomson）从早期人类胚胎的内细胞团中分离出了一组细胞，并首次建立了胚胎多能干细胞系的培养体系。目前，人类胚胎干细胞主要来自体外受精（IVF）过程。
尽管小鼠与人类胚胎干细胞具有许多相似的生物学特性，但在体外培养体系中，这两种胚胎干细胞通常需要不同的培养环境才能维持未分化的生长状态。例如，小鼠胚胎干细胞通常生长于明胶层之上，仅须添加生长因子LIF即可进行正常生长；而对人类胚胎干细胞而言，则需要活的小鼠成纤维细胞作为滋养层，同时还需要另一种称为人成纤维细胞生长因子的蛋白。如果没有达到最佳的生长条件，细胞便会停止分裂并迅速分化。目前，研究者已建立了不同的胚胎干细胞培养体系，并且对那些参与维系干细胞特征的基因也有了更多的了解。多能性的维持需要一个完善的调控网络，以确保分化基因得以抑制，否则细胞将不再分裂而转为分化。大自然很可能已经进化出了一种万无一失的机制来保护生物体，使其免受胚胎干细胞失控所造成的伤害。
生殖系干细胞可产生**或卵细胞（单倍体配子）。单倍体配子的染色体数目仅为体细胞中的一半，并可将遗传信息从一代传递至下一代。现在已经可以轻松地鉴定获取与操控果蝇的生殖系干细胞。在果蝇中，卵细胞于卵巢内的卵巢管中发育成熟。在卵巢管的一端，少量生殖系干细胞以精准的速度缓慢移动着，并进一步分化为卵细胞，整个过程共持续8天的时间。其中，生殖系干细胞被3种已分化的细胞所包裹着，包括了端丝细胞、帽细胞以及内鞘细胞，它们共同构成一个简单的管状结构（卵原区）。卵巢管尖端的细胞形成了一个龛样的微环境，从而对生殖系干细胞进行维护与调控。在干细胞与帽细胞之间存在一种特殊的细胞间连接，可以将生殖系干细胞固定于前端并防止其移动，以免接触到可能触发分化的环境。有一种特殊的信号蛋白可以参与维持这种细胞间连接，同时控制着生殖系干细胞的分裂速率。
在植物体内，所有干细胞都具有全能性的特点，可以分裂分化产生植物体所必需的所有类型的细胞。全能性是奥地利植物学家戈特利布·哈伯兰特（GottliebHaberlandt）所提出的一个术语，用于描述一个所有园丁都知道的特性。千百年来，园丁们利用珍贵植物的一小部分，如叶子、茎和根等，将其插入土壤和水中，即通过扦插的方法获得了整株植物。20世纪50年代后期，弗雷德·斯图尔特（FredSteward）首次将单个植物细胞培养成整株植物（一个胡萝卜）。拟南芥是一种被广泛研究的小型开花植物，常用于遗传学研究。其位于芽部的不断增长的尖端是一种完全未经分化的组织，可在其整个生命周期中分化形成叶子、花朵与枝丫。在芽尖这一复杂结构中，有30~40个干细胞被数百万个已分化细胞包围着，成为一个复杂的研究模型。大多数遗传学家还会使用根尖这一相对简单的组织来进行研究。通过使用茎尖分生组织（胚组织）的突变体，目前我们已获得了相关的基因表达图谱，从而得以对那些难以捉摸的干细胞进行表型鉴定与荧光标记。
