干细胞具有经培养不定期地分化并产生特化细胞的能力。在正常的人体发育环境中，它们得到了最好的诠释。人体发育起始于卵子的受精，产生一个具有能发育为完整有机体的潜能的单细胞，即全能性的受精卵。受精后的最初几个小时内，受精卵分裂为一些完全相同的全能细胞。这意味着如果把这些细胞中的任何一个放入女性子宫内，均有可能发育成胎儿。当受精卵分裂发育成囊胚时，内层细胞团的细胞即为胚胎干细胞。胚胎干细胞具有全能性，可以自我更新并具有分化为体内所有组织的能力。胚胎干细胞是一种高度未分化细胞。虽然人类胚胎干细胞仅有10μm，但是它能分化出成体动物的所有组织和器官。研究和利用胚胎干细胞是当前生物工程领域的核心问题之一。
目前许多研究工作都是以小鼠胚胎干细胞为对象展开的。人类胚胎干细胞是人体的基本组成部分，是其他所有人体组织发育成长的基础，它们在人类胚胎中只能存活几天时间。在1998年末，有两个研究小组成功地培养出人类胚胎干细胞，保持了胚胎干细胞分化为各种体细胞的全能性。这样就使科学家利用人类胚胎干细胞治疗各种疾病成为可能。但是从人类胚胎中提取干细胞是一个伦理学角度上十分敏感的话题，因为提取干细胞往往会将人类胚胎杀死。因此人类胚胎干细胞的研究工作引起了全世界范围内的很大争议，出于社会伦理学方面的原因，有些国家甚至明令禁止进行人类胚胎干细胞研究。无论从基础研究角度来讲还是从临床应用方面来看，人类胚胎干细胞带给人类的益处非常大，于是，许多人就开始以其正面影响为依据对这种研究进行伦理方面的辩护，至使要求展开人类胚胎干细胞研究的呼声也一浪高过一浪。
利用人类胚胎干细胞培育供移植用的细胞、组织或器官，据认为在医疗上具有重要价值。但是刺激干细胞在体外进行分化并非易事，这一过程受到很多因素的限制。比如，干细胞在体外赖以生长的材料，对干细胞的习性会产生影响。
人体胚胎干细胞试验性研究干细胞对早期人体的发育特别重要，在儿童和成年人中也可发现专能干细胞。举我们所最熟知的干细胞之一——造血干细胞——为例，造血干细胞存在于每个儿童和成年人的骨髓之中，也存在于循环血液中，但数量非常少。在我们的整个生命过程中，造血干细胞在不断地向人体补充血细胞——红细胞、白细胞和血小板——的过程中起着很关键的作用。如果没有造血干细胞，我们就无法生存。
胚胎干细胞是人体的“万能细胞”，理论上可以分化成任何人体组织细胞。科学家希望能用健康的胚胎干细胞培育出的组织替代病患组织，治疗传统方法难以治疗的慢性疾病。