Потім починається процес гаструляції, внаслідок якого відбувається переміщення кліток різними способами в бластоцель, з утворенням двухслойного зародка. Зовнішній шар кліток називається ектодерма, внутрішній - ентодерма. Всередині утвориться порожнина первинної кишки - гастроцель. Це стадія гаструли.

На стадії нейрули утворяться нервова трубка, хорда, сомити і інші ембріональні зачатки. Зачаток нервової системи розвивається ще в кінці стадії гаструли. Клітинний матеріал ектодерми, розташований на дорсальной поверхні зародка потовщується, утворюючи медуллярную пластинку. Ця пластинка обмежується з боків медуллярними валиками. Дроблення кліток медуллярной пластинки (медуллобластов) і медуллярних валиків приводить до згинання пластинки в жолоб, а потім до змикання країв жолоба і утворення медуллярной трубки. При з'єднанні медуллярних валиків утвориться ганглиозная пластина, яка потім ділиться на ганглиозние валики. Одночасно відбувається занурення нервової трубки всередину зародка.

Однорідні первинні клітки стінки медуллярной трубки - медуллобласти - диференціюються на первинні нервові клітки (нейробласти) і початкові клітки нейроглії (спонгиобласти). Клітки внутрішнього, прилежащего до порожнини трубки, шара медуллобластов перетворюються в епендимние, які вистилають просвіт порожнин мозку. Всі первинні клітки активно діляться, збільшуючи товщину стінки мозкової трубки і зменшуючи просвіт нервового каналу. Нейробласти диференціюються на нейрони, спонгиобласти - на астроцити і олигодендроцити, епендимние - на епендимоцити (на цьому етапі онтогенеза клітки епендими можуть утворювати нейробласти і спонгиобласти) При диференціації нейробластов, паростки довшають і перетворюються в дендрити і аксон, які на даному етапі позбавлені миелинових оболонок. Миелинизация починається з п'ятого місяця пренатального розвитку і повністю завершується лише у віці 5-7 років. На п'ятому же місяці з'являються синапси. Миелиновая оболонка формується в межах ЦНС олигодендроцитами, а в периферичній нервовій системі - Шванновськимі клітками.

У процесі ембріонального розвитку формуються паростки і у кліток макроглії (астроцитов і олигодендроцитов). Клітки микроглії утворяться з мезенхими і з'являються в ЦНС разом з проростанням в неї кровоносних судин.

Клітки ганглиозних валиків диференціюються спочатку в біполярні, а потім в псевдоуніполярні чутливі нервові клітки, центральний паросток яких йде в ЦНС, а периферичний - до рецепторам інших тканин і органів, утворюючи афферентную частину периферичної соматичної нервової системи. Ефферентная частина нервової системи складається з аксонов мотонейронов вентральних відділів нервової трубки.

У перші місяці постнатального онтогенеза продовжується інтенсивне зростання аксонов і дендритов і різко зростає кількість синапсов в зв'язку з розвитком нейронних мереж.

Ембриогенез головного мозку починається з розвитку в передній (ростральной) частині мозкової трубки двох первинних мозкових пузирів, виникаючих внаслідок нерівномірного зростання стінок нервової трубки (архенцефалон і дейтеренцефалон). Дейтеренцефалон, як і задня частина мозкової трубки (згодом спинний мозок), розташовується над хордою. Архенцефалон закладається попереду неї. Потім на початку четвертого тижня у зародка дейтеренцефалон ділиться на середній (mesencephalon) і ромбоподібний (rhombencephalon) пузирі. А архенцефалон перетворюється на цій (трехпузирной) стадії в передній мозковий пузир (prosencephalon). У нижній частині переднього мозку випинаються обонятельние лопаті (з них розвиваються нюховий епітелій носової порожнини, обонятельние цибулини і тракти). З дорсолатеральних стінок переднього мозкового пузиря виступають два очних пузирі. Надалі з них розвиваються сітчатка очей, зорові нерви і тракти.

На 6-й тижні ембріонального розвитку передній і ромбоподібний пузирі діляться кожний на два, і наступає пятипузирная стадія.

Передній пузир (кінцевий мозок) розділяється подовжньою щілиною на дві півкулі. Порожнина також ділиться, утворюючи бічні шлуночки. Мозкова речовина збільшується нерівномірно, і на поверхні півкуль утворяться численні складки - звивина, відділена один від одного більш або менш глибокими борознами і щілинами. Кожна півкуля розділяється на 4 частки, у відповідність з цим порожнини бічних шлуночків ділиться також на 4 частині: центральний відділ, і три роги шлуночка. З мезенхими, навколишньої мозок зародка, розвиваються оболонки мозку. Сіра речовина розташовується і на периферії, утворюючи кору великих півкуль, і в основі півкуль, утворюючи підкоркові ядра.

Задня частина переднього пузиря залишається неподіленою і називається тепер проміжним мозком. Функціонально і морфологічно він пов'язаний з органом зору. На стадії, коли межі з кінцевим мозком слабо виражені, з базальной частини бічних стінок утворяться парні вирости - очні пузирі, які залишаються в з'єднанні з місцем їх походження за допомогою очних стеблинок, що згодом перетворюються в зорові нерви. Найбільшої товщини досягають бічні стінки проміжного мозку, які перетворюються в зорові бугри або таламус. Відповідно до цього порожнина III шлуночка перетворюється у вузьку сагиттальную щілину. У вентральной області (гипоталамус) утвориться непарне випинання - воронка, з нижнього кінця якої відбувається задня мозкова частка гіпофіза - нейрогипофиз.

Третій мозковий пузир перетворюється в середній мозок, який розвивається найбільш просто і відстає в зростанні. Стінки його потовщуються рівномірно, а порожнина перетворюється у вузький канал - Сильвієв водопровід, що з'єднує III і IV шлуночки. З дорсальной стінки розвивається четверохолмие, а з вентральной - ніжки середнього мозку.

Ромбоподібний мозок ділиться на задній і додатковий. З заднього формується мозочок - спочатку черв'як мозочка, а потім півкулі, а також міст. Додатковий мозок перетворюється в довгастий мозок. Стінки ромбоподібного мозку потовщуються - як з боків, так і на дні, тільки дах залишається у вигляді найтоншої пластинки. Порожнина перетворюється в IV шлуночок, який повідомляється з Сильвієвим водопроводом і з центральним каналом спинного мозку.

Внаслідок нерівномірного розвитку мозкових пузирів мозкова трубка починає згинатися (на рівні середнього мозку - тім'яний прогиб, в області заднього мозку - бруківки і в місці переходу додаткового мозку в спинній - потиличний прогиб). Тім'яний і потиличний прогиби звернені назовні, а бруківки - всередину.

Структури головного мозку, що формуються з первинного мозкового пузиря: середній, задній і додатковий мозок складають стовбур головного мозку (truncus cerebri). Він є ростральним продовженням спинного мозку і має з ним спільні риси будови. Що Проходить по латеральним стінках спинного мозку і стволового відділу головного мозку парна прикордонна борозна (sulcus limitans), ділить мозкову трубку на основну (вентральную) і криловидную (дорзальную) пластинки. З основної пластинки формуються моторні структури (передні рогу спинного мозку, рухові ядра черепно-мозкових нервів). Над прикордонною борозною з криловидной пластинки розвиваються сенсорні структури (задні рогу спинного мозку, сенсорні ядра стовбура мозку), в межах самої прикордонної борозни - центри вегетативної нервової системи.

Похідні архенцефалона (telencephalon і diencephalon) створюють підкоркові структури і кору. Тут немає основної пластинки (вона закінчується в середньому мозку), отже, і немає рухових і вегетативних ядер. Весь передній мозок розвивається з криловидной пластинки, тому в ньому є лише сенсорні структури.