從曆史的角度來看，我們對幹細胞的了解起始於對機體內成體幹細胞所產生的大量成熟子細胞的觀察。恩斯特·諾伊曼曾在骨髓造血領域提出極具前瞻性的構想，但該設想仍需進行幹細胞培養實驗來驗證。直到60年後，研究人員終於成功解開了這一複雜難題的種種謎團，證明了骨髓中的幹細胞具有自我更新、分裂以及產生血液中各種成熟細胞的能力。
1961年，歐內斯特·麥卡洛克（Ernest McCulloch）與詹姆士·提爾（James Till）設計了一係列實驗以探究幹細胞的功能。他們以較大劑量的X射線處理小鼠以阻止其產生幹細胞，隨後將外源性骨髓細胞注射到這些小鼠的尾靜脈中。一段時間後，可觀察到小鼠脾髒中出現了肉眼可辨的結節，且脾髒中的結節數量與所注射的骨髓細胞量成比例關係。麥卡洛克與提爾推測每個結節可能源自一個骨髓細胞，並且很可能是一個幹細胞。這種基於動物骨髓幹細胞的測量方法在接下來的30年中成為幹細胞數量測量的主要方法。20世紀70年代初，邁克·德克斯特（Mike Dexter）提出，如果以間質細胞作為飼養層（骨髓中非血細胞的集群），那麽即便在實驗室培養瓶中，原始骨髓細胞也可以進行長達數周的培養。
在接下來的數十年中，組織特異性成體幹細胞被陸續地鑒定出來。這些幹細胞均可以分裂分化形成對應組織中的所有細胞類型。有研究指出，大鼠體內可觀察到新生神經元的生長，這表明成年後的大腦中可能存在幹細胞。這個有趣的發現與腦細胞終生存活的既往觀點完全相反。此後，在成年小鼠、鳴禽以及人類等靈長類動物的大腦中也發現了幹細胞的存在。新生神經元細胞（稱為神經發生）僅存在於大腦中的兩個位置。在實驗室條件下，神經幹細胞能以漂浮細胞集群（神經球）的形式生長，其中包含大量幹細胞。通過改變培養條件，它們可以進一步分化形成神經元（負責處理和傳遞信息的可興奮細胞）或神經膠質細胞（為大腦神經元提供營養與保護的細胞）。