在20世紀60年代初期，人們從小鼠畸胎癌中成功分離獲得了具有幹細胞特性的胚胎癌細胞係。這些癌組織由生殖細胞構成，通常直接源於卵巢，或間接地源於胚胎發育過程中因發育障礙而導致的先天缺陷。由於存在基因突變與基因組不穩定等問題，胚胎癌細胞的使用受到了一定的製約。但值得慶幸的是，人們從正常胚胎中成功分離了胚胎幹細胞係（參見第6章內容），從而解決了胚胎癌細胞所帶來的種種缺陷。這一巨大突破開拓出了新的研究領域，使得人類胚胎細胞的分離與操縱，以及其在成人幹細胞治療中的應用成為可能。
小鼠胚胎幹細胞已被廣泛應用於轉基因小鼠模型的製作中，並發揮著重要的作用。作為與人類較為接近的物種，小鼠在經過基因修飾後可以作為模型用於單個基因功能的研究。通過將某個基因（例如與人類癌症相關的基因）轉入至培養的胚胎幹細胞中，我們便可以獲得相應的轉基因小鼠。此外，我們還可以通過將一個外來基因（通常是一種可產生抗藥性的蛋白）轉入靶基因中，從而實現對某個基因的定點“敲除”。但遺憾的是，操縱基因的效率是十分低下的，因此，經過處理的細胞需要對其進行培養，從中選擇出那些基因發生了正確改變的細胞。然後，我們通過顯微注射的方法將這些目標細胞注入正常胚胎的內部細胞團中，並將胚胎進一步植入代孕小鼠的子宮中。這些後代的成對染色體中通常隻含有一份導入基因（它們是雜合的），因此可以通過進一步繁殖的方式來獲得純合子個體。此時這些小鼠細胞內的成對染色體中都將含有新基因（或敲除基因），而基因編輯所產生的效應也將在其體內的每個細胞中得以體現。基因在特定組織或細胞中是否表達取決於其基因組環境的不同，這通常可以通過仔細的分子選擇以在胚胎幹細胞水平進行追蹤指引。目前已有成千上萬種轉基因小鼠品係，其中每一種小鼠都具有特定的基因修飾特征，這些模型小鼠極大地幫助了我們對許多複雜生物過程的理解。對那些特定基因缺陷或過表達所引起的疾病，轉基因動物可以作為新藥開發或藥物幹預措施的模型。即便某些基因編輯將導致胚胎死亡，我們也可以利用經基因編輯的細胞係來進行“替代”，通過體外培養實驗來進行有用的研究。