Rozwój układu nerwowego jest kierowany przez informację genetyczną, odżywianie oraz sygnały komórkowe i molekularne w zarodku. Mózg i rdzeń kręgowy zaczynają się formować we wczesnym okresie ciąży, chociaż dojrzewanie trwa latami. U ludzi czynniki wpływające na rozwój neuronalny dziecka po urodzeniu obejmują narządy zmysłów, środowisko oraz stopień, w jakim mózg i układ nerwowy muszą się rozwijać. Rozwój układu nerwowego u dorosłych zależy od plastyczności, zdolności mózgu do adaptacji, uczenia się nowych rzeczy i wykonywania nowych zadań.
W embrionach rozwojem kierują geny zwane czynnikami wzrostu, które informują komórki, kiedy i gdzie rosnąć. Warstwa komórek oddzielona od prototkanki zwana ektodermą. Stają się one komórkami grzebienia nerwowego, które różnicują się w rdzeń kręgowy i nerwy obwodowe oraz cewę nerwową, z której powstaje mózg. Migracja neuronalna następuje, gdy neurony układają się zgodnie z sygnałami chemicznymi w miejscach, które będą zajmować na stałe. Rosnące aksony, wypustki ciał komórek nerwowych, mają specjalną końcówkę zwaną stożkiem wzrostu, która wyszukuje te chemiczne wskazówki.
W tym wczesnym okresie czynniki wpływające na rozwój obejmują „przełączniki” genetyczne, które kierują wzrostem tkanki w zarodku oraz, u ssaków, w tym ludzi, dietę matki. Wiele substancji chemicznych, zwanych teratagenami, może zaburzać tworzenie się układu nerwowego. Alkohol, tytoń, niektóre pestycydy, wirusy, a nawet przedawkowanie witamin rozpuszczalnych w tłuszczach mogą powodować wady wrodzone lub śmierć embrionów lub płodów. Rozwój układu nerwowego jest najbardziej wrażliwy na te substancje we wczesnych tygodniach ciąży.
Po urodzeniu ważny proces zwany mielinizacją przyspiesza przez kilka lat, zanim zakończy się w okresie dojrzewania. Mielina to osłona ochronna wokół nerwów, która pomaga w komunikacji elektrycznej. Funkcje poznawcze i sensomotoryczne zależą od określonych szlaków izolowanych przez mielinę. Ponieważ sygnały elektryczne przemieszczają się powoli i niecałkowicie w odsłoniętych nerwach, mielinizacja jest kluczowym czynnikiem w rozwoju układu nerwowego.
Ważnym czynnikiem rozwoju neuronów jest tworzenie sieci neuronowych łączących miliony komórek w mózgu. Neurony działają poprzez pętle sprzężenia zwrotnego zmodyfikowane przez doświadczenie. Wiele obszarów kory mózgowej jest niekompletnie „okablowanych” lub połączonych w sieć po urodzeniu i rozwija się później. Klasycznym tego przykładem jest kora wzrokowa, która jest aktywowana przez światło i może się rozwijać tylko wtedy, gdy małe dziecko ma sprawne oczy. Jeśli wzrok jest osłabiony na tym krytycznym etapie, mózg może pozostać niezdolny do przetwarzania wzroku w późniejszym życiu.
Rozwój układu nerwowego u ludzi jest silnie powiązany z aktywnością po urodzeniu. Niektóre obszary mózgu połączone w czasie ciąży mogą zostać przycięte w dzieciństwie, a nowe mogą zostać powiązane w wyniku doświadczeń takich jak nauka mówienia, chodzenia lub pisania. W przypadku uszkodzenia mózgu aktywna terapia fizyczna i poznawcza może również częściowo przywrócić utracone funkcje ośrodkowego układu nerwowego. Ze względu na neuroplastyczność jedna część mózgu może przejąć funkcję innej uszkodzonej części.