Smegenys ir nugaros smegenys sudaro centrinę nervų sistemą (CNS) ir paprastai yra vienos iš pirmųjų kūno dalių, kurios išsivysto embrione. Reikšmingame žmogaus vystymosi etape embriono paviršius paprastai susilanksto ir užsidaro, kad susidarytų vamzdelis, o tai žymi centrinės nervų sistemos vystymosi pradžią. Dėl to susidaro struktūra, vadinama neuropora, kuri paprastai užsidaro po keturių nėštumo savaičių. Tada gali išsivystyti kelios pagrindinės smegenų pūslelės. CNS ir toliau keičiasi visą gyvenimą, nes nervinės ląstelės, vadinamos neuronais, stimuliuojamos išaugina aksonus, sinapses ir augimo kūgius.
Centrinės nervų sistemos vystymasis prasideda, kai embriono audinys virš struktūros, vadinamos notochordu, tampa neurologiniu. Paprastai susidaro griovelis, o tada kiekvienoje pusėje susidaro raukšlės. Paprastai jie užsidaro viduryje, o paskui nuosekliai iš abiejų pusių, sudarydami nervinį vamzdelį. Neuroninis kanalas toliau vystosi, o viršutinė arba rostralinė dalis tampa smegenų dalimis, o likusi dalis paprastai virsta nugaros smegenimis.
Nervų keteros raukšlėse daugelis ląstelių tampa nervinėmis struktūromis, vadinamomis gangliais, taip pat apsauginiais audiniais, supančiais smegenis ir nugaros smegenis. Pūslelės, kurios sudaro bendrą konkrečių smegenų dalių karkasą, paprastai susidaro vėliau. Tai yra priekinės, vidurinės ir užpakalinės smegenų pūslelės. Trys nervinio vamzdelio ląstelių sluoksniai taip pat išsivysto, kad suformuotų nugaros smegenis; Šio proceso metu susidaro skirtingos ląstelės ir skirtingos struktūros. Iki aštuonių nėštumo savaičių ir centrinės nervų sistemos vystymosi, virkštelė paprastai susidaro kartu su visu stuburo kanalu.
Nervų ląstelės paprastai gyvena visą žmogaus gyvenimą. Jie gali mirti, bet vietoj to, kad juos pakeistų kitos ląstelės, ryšiai tarp neuronų gali pasikeisti. Centrinės nervų sistemos vystymasis dažnai priklauso nuo aksonų, besitęsiančių iš ląstelių, augimo. Procesą įtakoja atitinkamas kalcio kiekis kiekvienoje ląstelėje, o sinapsės brandžių aksonų galuose dažniausiai susidaro, kai suveikia neurotropino baltymai.
Aksonai auga ir jungiasi prie įvairių smegenų sričių. Kai kurios ląstelės gali veikti kaip vadovai tam tikrame kelyje, o kai kurių ląstelių paviršių molekulės gali atstumti aksonų struktūrų augimo kūgius. Dėl tam tikrų sričių cheminės sudėties ten gali būti pritvirtinti aksonai ir nervai. Tinkamas centrinės nervų sistemos vystymasis paprastai yra svarbiausias embriono stadijoje, nes jis gali turėti įtakos kieno nors gerovei visą gyvenimą. CNS taip pat veikia suaugus vykstantys ląstelių procesai, kurie dažnai leidžia smegenims prisitaikyti prie aplinkos.