在胚胎的發生發育中，單個受精卵可以分裂發育為多細胞的組織或器官。在成年動物中，正常的生理代謝或病理損傷也會引起組織或器官的修復再生。胚胎的分化形成和成年組織的再生是干細胞進一步分化的結果。傳統觀點認為：胚胎干細胞是全能的，具有分化為幾乎全部組織和器官的能力。而成年組織或器官內的干細胞一般認為具有組織特異性，只能分化成特定的細胞或組織。這個觀點目前受到了挑戰。最新的研究表明，組織特異性干細胞同樣具有分化成其他細胞或組織的潛能，也就是說干細胞具有橫向分化的能力。這為干細胞的應用開創了更廣泛的空間?！?
按分化潛能的大小，干細胞還可分為三種類型：
全能干細胞——它具有形成完整個體的分化潛能。如胚胎干細胞(簡稱ES細胞)，具有與早期胚胎細胞相似的形態特征和很強的分化能力，可以無限增殖并分化成為全身200多種細胞類型，進一步形成機體的所有組織、器官。人類的全能干細胞可以分化成人體的各種細胞，這些分化出的細胞構成人體的各種組織和器官，最終發育成一個完整的人。人類的精子和卵子結合后形成受精卵，這個受精卵就是一個最初始的全能干細胞，受精卵繼續分化，在前幾個分化過程中，可以分化出許多全能干細胞，提取出這些細胞中的任意一個放置到婦女子宮中，就可以發育出一個完整的人體。
多能干細胞——這種干細胞具有分化出多種細胞組織的潛能，但卻失去了發育成完整個體的能力，發育潛能受到一定的限制，骨髓多能造血干細胞是典型的例子，它可分化出至少十二種血細胞，但不能分化出造血系統以外的其它細胞。
單能干細胞——這類干細胞只能向一種類型或密切相關的兩種類型的細胞分化，如上皮組織基底層的干細胞、肌肉中的成肌細胞或叫衛星細胞。