Kamieninių ląstelių diferenciacija yra procesas, kai nespecializuota kamieninė ląstelė išsivysto į tam tikro tipo audinį, pavyzdžiui, subrendusią raudonąją kraujo kūnelį. Tai įvyksta visais gyvenimo etapais, nuo labai ankstyvo embriono vystymosi iki pilnametystės, nes organizmui reikia nuolat aprūpinti naujų specializuotų ląstelių funkcionavimu. Ląstelių diferenciacijai būdingi keli veiksniai, įskaitant aplinkos ir biologinius įvairių ląstelių tipų veiksnius.
Įvairių rūšių ląstelių, į kurias gali subręsti kamieninė ląstelė, skaičių atspindi jos stiprumas. Totipotentinė ląstelė subrendusi gali išsivystyti į bet kokią ląstelę. Tokios ląstelės randamos ankstyvosiose embriono vystymosi blastocistos fazėse, kai kiekviena ląstelė turi sugebėti sukurti įvairias ląsteles, kad vystytųsi embrionas. Vystantis embrionui, kamieninės ląstelės tampa pluripotentinės prigimties ir gali išsiskirti į įvairius ląstelių tipus, bet ne visas.
Daugiapotentės kamieninės ląstelės gali išsiskirti į keletą susijusių ląstelių tipų. Pavyzdžiui, hematopoetinės ląstelės, iš kurių susidaro įvairių rūšių kraujo kūneliai, gali diferencijuotis ir virsti baltaisiais arba raudonaisiais kraujo kūneliais. Tačiau jie negali virsti skrandžio gleivine ar neuronais. Tokio pobūdžio daugiapotentės ląstelės dažniausiai randamos suaugusiuose organizmuose, kurios nuolat tiekia naujas ląsteles, kurios pakeis susidėvėjusias ir pažeistas senesnes ląsteles.
Kamieninių ląstelių diferenciacijos metu kamieninė ląstelė gauna signalą pradėti bręsti. Ląstelė gali pereiti kelis gyvenimo etapus, kol ji tampa subrendusia ląstele. Bet kuriame etape gali įvykti klaida, ląstelė gali pasikeisti arba atsirasti kitų problemų. Imuninė sistema stebi tokias ląsteles, kad galėtų įsikišti, kad jas sunaikintų ir perdirbtų jų komponentus, kol jos dar nespėtų visiškai išsivystyti ir sukelti problemų. Organizmui nuolat reikia naujų kraujo ir odos ląstelių, be kita ko, ir, kad patenkintų šį poreikį, jis priklauso nuo kamieninių ląstelių diferenciacijos.
Mokslininkai ypač domisi embrioninių kamieninių ląstelių diferenciacija dėl jų totipotentinių ir pluripotentinių savybių. Jie tiria embriono vystymąsi, kad sužinotų daugiau apie tai, kaip ląstelės bręsta ir kokia tvarka atsiranda įvairių struktūrų vystantis embrionui. Tai gali suteikti svarbios informacijos apie apsigimimus, taip pat biologinę organizmo istoriją. Daugelio organizmų embrioninis vystymasis vyksta lygiagrečiai iki tam tikros stadijos, kai pradeda atrodyti radikaliai kitaip, kaip ir visiškai subrendę skirtingų rūšių egzemplioriai. Šie vystymosi panašumai gali parodyti įvairių organizmų evoliucijos istoriją.