够分化爲三个胚层（外胚层、中胚层、内胚层）的细胞，形成生物体的各种结构。胚胎干细胞的形态与基因表达情况与其他细胞有明显的不同。
形态学.胚胎干细胞爲球状，人胚胎干细胞直径约爲14μm，而鼠胚胎干细胞直径约爲8μm。胚胎干细胞的细胞核一般较大，核仁明显，而细胞质相对较少。人和小鼠的胚胎干细胞都能在培养皿上形成圆形、边界清晰、表面光滑的细胞集落。
分子细胞生物学.胚胎干细胞多能性的维持依赖于Sox2、Oct4、Nanog等因子构成的转录网络，确保与细胞自我更新