Efter befrugtningen deler den befrugtede ægcelle sig i to celler (mitose), der igen deler sig osv. Celledelingerne fortsætter gennem fosterudviklingen, så det nyfødte barn ender med at bestå af omkring tusinde milliarder celler. Undervejs begynder cellerne at specialisere sig i forskellige typer af celler. Man siger, at cellerne differentieres. Celler, der kan give ophav til andre mere specialiserede celler, kaldes stamceller.
Ved de første celledelinger (indtil 4-8 cellestadiet) er alle cellerne endnu helt ens. Disse celler kaldes for totipotente stamceller og kan give ophav til alle typer af celler, herunder også moderkage og andre celletyper, der er nødvendige for fosterudviklingen. Deler man således celleklumpen i 4-8 enkeltceller, kan de i teorien hver især give ophav til et individ.
Efter 4-8 cellestadiet sker de første forandringer i cellerne. Man siger, at cellerne determineres. De har endnu ikke ændret form eller funktion, men der er sket molekylære forandringer inde i cellerne, som gør, at de nu kun kan videreudvikles i en given retning. Man kan ikke umiddelbart observere forandringerne, men i forsøg kan man se, at tager man for eksempel en del af cellerne fra et museembryon i 32 cellestadiet og sætter dem op i en muselivmor, kan de ikke længere udvikle sig til en mus.
Cellerne fortsætter herefter med at dele og forandre sig, og ca. 5 dage efter befrugtningen danner de nu godt 200 celler en blastocyst, der er en celleklump med et væskefyldt hulrum. På dette stadie er den første egentlige differentiering sket, så der nu er to stamcelletyper: trophoblastceller, der udgør blastocystens ydre lag, og som senere hen danner fosterhinde og moderkage, og en indercellemasse, som udvikler sig til selve fosteret.
Stamceller udviklet fra blastocystens indercellemasse kaldes pluripotente stamceller. Det er disse celler, der typisk bruges i forskningsøjemed, da de kan udvikle sig til enhver celletype i legemet. Pluripotente stamceller kan imidlertid ikke give ophav til moderkage og fosterhinde og kan dermed heller ikke udvikle sig til et foster, hvis de udtages fra en blastocyst og sættes op i en livmoder.
Efter at blastocysten er dannet, differentieres cellerne i indercellemassen yderligere og danner tre hovedstamcellelinier kaldet det ektoderme, mesoderme og endoderme kimlag. Cellerne fortsætter herefter differentieringen gennem fosterudviklingen, således at cellerne fra de tre kimlag gradvist bliver mere og mere specialiserede til at varetage særlige funktioner i kroppen. Samtidig vandrer nogle af cellerne til andre dele af kroppen, hvor de sammen med andre celler varetager forskellige funktioner. Det ektoderme lag udvikler sig blandt andet til nervevæv, hjerne og hud. Det mesoderme lag udvikler sig til muskler, knogler, blodkar, hjerte, mm. Mens det endoderme lag giver ophav til de fleste af de indre organer.
Udvalgte cellers udviklingsvej og specialisering. I yderste led er cellerne fuldt specialiserede, men indeholder også uni- og i nogle tilfælde multipotente stamceller, der muliggør regenerering og fornyelse af væv. De tidligere specialiseringer foregår i den tidlige fosterudvikling (illustration: Peter Waldorph).
Når fosteret er færdigudviklet, har det befrugtede æg udviklet sig til godt 200 forskellige celletyper. De fleste af disse celletyper er imidlertid så specialiserede, at de har mistet evnen til at dele sig. Det gælder blandt andet de røde blodlegemer, der ikke har nogen cellekerne, de hvide blodlegemer, nerveceller og hudceller. For at kroppen kan vedligeholde vævet og genoprette skader for eksempel ved blodtab, knoglebrud, brandsår og lignende, findes der derfor også stamceller i den færdigudviklede krop. Når et mennesker mister blod ved en ulykke, gendannes blodet således ved, at stamceller i knoglemarven begynder at dele og differentiere sig og på den vis danner nye blodceller. Det sker altså ikke ved, at blodcellerne selv deler sig. Stamceller, der forefindes i udviklede organismer, kaldes for voksenstamceller eller multipotente stamceller.