Las primeras etapas del desarrollo cerebral se caracterizan por rápidos cambios en el embrión. En los primeros siete días a partir de la concepción ya se pueden observar dos capas de tejido (el ectodermo y el endodermo) y en los primeros nueve días se desarrolla una tercera capa (el mesodermo), que se introduce entre las dos primeras en un proceso conocido como neurulación. El ectodermo forma el surco neural, que a su vez da lugar a un tubo neural. El proceso de neurulación se inicia en las dos primeras semanas; el tejido embrionario se diferencia, formando el tubo neural, y concluye en la cuarta semana de gestación. Durante este proceso los tejidos embrionarios se engrosan, profundizan y se cierran, formando las estructuras básicas del sistema nervioso.
Las neuronas y neurogliocitos se forman en la pared externa del tubo neural, mientras que la pared interna se recubre de neurogliocitos dando lugar a un canal que se llena de LCR. La parte craneal del tubo neural se convierte finalmente en el encéfalo mientras que la parte caudal se convierte en la médula espinal. Al final de la cuarta semana el tubo neural se cierra.
Una vez que concluye el proceso de neurulación (cuarta semana) aparecen tres vesículas cerebrales, que forman el rombencéfalo, el mesencéfalo y el prosencéfalo. Estas vesículas se diferencian más tarde en:
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Diencéfalo, que finalmente forma el tálamo, el hipotálamo y el epitálamo.
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El telencéfalo, que da lugar a los hemisferios cerebrales.