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胚胎干细胞的研究最早可追溯到20世纪50年代，由于畸胎瘤干细胞（EC细胞）被发现，开始了胚胎干细胞的生物学研究历程。在对小鼠畸胎瘤的研究中，科学家发现其中存在未分化的多能干细胞（图2-2），这些多能干细胞在一定的条件下可分化成为多种类型的细胞。由于畸胎瘤是由原始生殖细胞癌变形成的，因此这种细胞称为胚胎癌细胞。胚胎癌细胞具有良好的多能性，但同时具有某些恶性肿瘤的特征，使应用受到限制。1981年英国剑桥大学Evans和Kaufman首次成功地从着床前的小鼠囊胚中分离出内细胞团，培养、建立了多能干细胞系。这些细胞不但具有良好的多能性，而且具有正常的二倍体核型，胚胎干细胞系由此宣告诞生。
图2-2 多能干细胞
自1981年Evans等首次成功分离出小鼠胚胎干细胞，研究人员已在仓鼠、大鼠、兔、猪、牛、绵羊、山羊、水貂、恒河猴、美洲长尾猴以及人类体内都分离获得了胚胎干细胞，而且已经证明，小鼠胚胎干细胞可以分化为心肌细胞、造血细胞、卵黄囊细胞、骨髓细胞、平滑肌细胞、脂肪细胞、软骨细胞、成骨细胞、内皮细胞、黑色素细胞、神经细胞、神经胶质细胞、少突胶质细胞、淋巴细胞、胰岛细胞、滋养层细胞等。人类胚胎干细胞可以分化为滋养层细胞、神经细胞、神经胶质细胞、造血细胞、心肌细胞等。目前许多研究工作都是以小鼠胚胎干细胞为研究对象展开的。
胚胎干细胞的形态结构与早期胚胎细胞相似，细胞较小，核质比高，细胞核大，有一个或几个核仁，胞核中多为常染色质，细胞质相对较少，结构简单。在体外培养时，细胞排列紧密，能够形成边界清晰、光滑的细胞集落群。用碱性磷酸酶染色，胚胎干细胞变成红棕色，与周围淡黄色的成纤维细胞有所区别。在相同的培养条件下，由于细胞分化和形态变化的不同，胚胎干细胞会出现多种不同的形态，如类圆形、椭圆形、梭形、长形等。细胞克隆与周围存在明显的界限，而形成的克隆细胞则彼此界限不清，细胞表面有折光较强的脂状小滴。细胞克隆形态多样，多数呈岛状或巢状。小鼠胚胎干细胞的直径为7～18μm，猪、牛、羊胚胎干细胞的颜色较深，直径为12～18μm。
全能性：胚胎干细胞又称为全能干细胞，是从哺乳动物早期胚胎分离培养出来的。它的一大特点是具有发育的全能性，可以参加整个生物体的发育，构成人体的各种组织器官。受精卵便是一个最初始的全能干细胞。
胚胎干细胞是人类细胞中分化能力最强的细胞，可以分化为支持胎儿发育的所有细胞，也就是胚胎干细胞在分裂分化之后，可以组成一个完整、健康的胎儿。在正常的培养条件下，胚胎干细胞在经过多重细胞分裂之后，仍然能保持全能性。
胚胎干细胞发育全能性的标志是胚胎干细胞表面表达时相专一性胚胎抗原，而且可以检查到Oct4基因表达，这两种蛋白是发育全能性的标志。胚胎细胞中碱性磷酸酶及端粒酶活性较高，可用于鉴定胚胎干细胞分化与否。
全能性是胚胎干细胞与成体内多能干细胞之间的主要区别。
多能性是指胚胎干细胞具有细胞分化成多种组织（所有组织，包括生殖系细胞）的能力。它可以发育成为外胚层、中胚层和内胚层三种胚层的细胞组织。将胚胎干细胞培养在不含分化抑制物的培养基上，可以形成类胚体。
胚胎干细胞与普通细胞有显著差别，有着其特定的生长特性和特定的标志。例如，碱性磷酸酶活性非常高，带有胚胎阶段特异性表面抗原，人类胚胎干细胞还带有高相对分子质量的糖蛋白TRA1-60、TRA-1-81等标志，这些特性和标志均可以用于对胚胎干细胞进行鉴定。除此之外，胚胎干细胞还可以在体外永久传代，并保持正常核型。在体外培养体系中加入分化抑制剂（如白血病抑制因子）或者在小鼠胚胎成纤维饲养层细胞上培养时，胚胎干细胞都能呈克隆性增殖，长期保持核型正常和稳定，冻存的，解冻后也不影响不分化的特性。另外，胚胎干细胞还表现出高水平端粒酶活性，目前证明端粒酶与细胞衰老密切相关，多数成熟细胞的端粒酶活性都很低。这些都是胚胎干细胞与成熟细胞不同的重要特点，也可能是其复制生命期限远比体细胞长的原因。
瑞士科学家研究发现，胚胎细胞全能特性的秘密在于一种蛋白质。这种蛋白质称为Pramel7，它存在于早期胚胎细胞里，可以阻止遗传物质因甲基化而呈“封闭”状态，保持基因组的开放性。
所有细胞都携带生物体的全套遗传信息密码，但已分化的细胞，如血液、骨骼和神经细胞等都只表达与自身功能相关的基因，其余基因则会被甲基化而不表达。甲基化程度越低，基因组就越开放，细胞分化潜力越大。
受精卵发育到囊胚阶段时，里面有一团被称为“内细胞群”的细胞，它们具有真正的全能特性。研究人员发现，控制Pramel7蛋白质合成的基因在内细胞群里非常活跃，但在人工培养的胚胎干细胞里其活跃程度较低。加强该基因在人工胚胎干细胞里的表达，可以降低整个基因组的甲基化水平。
Pramel7蛋白质仅在胚胎发育的最初几天发挥作用，但对维持正常发育至关重要。实验发现，如果关闭相关基因，基因组甲基化水平会急剧升高，干细胞停止发育，导致胚胎死亡。这一发现可能有助于提高人工胚胎干细胞的分化潜力，用于医学研究和器官修复。