Το κεντρικό νευρικό σύστημα μπορεί να χωριστεί σε λευκή και γκρίζα ύλη. Αυτά τα δύο τμήματα κέρδισαν τα ονόματά τους λόγω της διαφοράς στην εμφάνισή τους στην ακαθάριστη ανθρώπινη ανατομία. Η λευκή ουσία εμφανίζεται λευκή λόγω της παρουσίας μεγάλων ποσοτήτων μυελίνης, μιας λιπαρής πρωτεΐνης που χρησιμεύει ως μονωτική λειτουργία για τη μετάδοση σήματος. Η γκρίζα ύλη εμφανίζεται γκρι-καφέ λόγω της παρουσίας νευρωνικών κυττάρων και τριχοειδών αγγείων, καθώς και της σχετικής έλλειψης μυελίνης. Η λευκή ουσία και η φαιά ουσία διαφέρουν ως προς τα συστατικά, τις λειτουργίες και τις θέσεις τους τόσο στον εγκέφαλο όσο και στην ύλη του νωτιαίου μυελού.
Η λευκή ύλη μερικές φορές ονομάζεται και ουσία ουσίας. Περιέχει μυελινωμένους άξονες που συνδέουν διαφορετικές περιοχές γκρίζας ύλης στον εγκέφαλο και τον νωτιαίο μυελό. Αυτοί οι μυελινωμένοι νευράξονες μεταφέρουν νευρικά ερεθίσματα από τον ένα νευρώνα στον άλλο. Η παρουσία μυελίνης επιτρέπει ταχύτερη μετάδοση νευρικών σημάτων.
Επιπρόσθετα, η λευκή ύλη μπορεί να χωριστεί περαιτέρω σε προεξοχές προβολής, κοινές οδούς και οδούς σύνδεσης. Οι οδοί προβολής μεταφέρουν νευρικά σήματα από τον φλοιό σε άλλες περιοχές του εγκεφάλου ή από τον εγκέφαλο σε άλλους ιστούς του σώματος. Οι κομμωτικές οδούς επιτρέπουν στο αριστερό και δεξί εγκεφαλικό ημισφαίριο να επικοινωνούν. Οι οδοί σύνδεσης μεταφέρουν νευρικά σήματα από τον ένα φλοιώδη λοβό στον άλλο.
Η γκρίζα ύλη μερικές φορές ονομάζεται substia grisea. Περιέχει κυρίως κυτταρικά σώματα, δενδρίτες και συνάψεις. Άλλα συστατικά της φαιάς ουσίας περιλαμβάνουν νευροπόλο, γλοιακά κύτταρα και τριχοειδή αγγεία. Το Neuropil είναι ο συλλογικός όρος για τους δενδρίτες και τους νευράξονες και μπορεί να μυελινιστεί ή να μην μυελωθεί, ενώ τα γλοιακά κύτταρα αναφέρονται στα αστροκύτταρα και τα ολιγοδενδροκύτταρα. Σε αντίθεση με τη λευκή ύλη, η οποία χρησιμεύει κυρίως για τη μετάδοση νευρικών σημάτων, η φαιά ουσία είναι το σημείο όπου δημιουργούνται και επεξεργάζονται τέτοια σήματα.
Η λευκή ουσία και η φαιά ουσία διαφέρουν επίσης ως προς την κατανομή. Στον εγκέφαλο, η φαιά ουσία βρίσκεται στην επιφάνεια των εγκεφαλικών και παρεγκεφαλικών φλοιών. Βρίσκεται επίσης στα βαθύτερα μέρη του εγκεφάλου, ιδιαίτερα στα βασικά γάγγλια, στον θάλαμο, στον υποθάλαμο και σε διαφορετικούς υποθαλαμικούς πυρήνες. Στα βαθύτερα τμήματα της παρεγκεφαλίδας, η γκρίζα ύλη είναι παρούσα ως οδοντωτός, σφαιροειδής, εμβολικός και νωτιαίος πυρήνας, ενώ στα βαθύτερα τμήματα του στελέχους του εγκεφάλου είναι παρούσα ως η μαύρη ουσία καθώς και η κόκκινη, ελαιώδης και κρανιακή νευρικούς πυρήνες. Η γκρίζα ύλη βρίσκεται επίσης στα πρόσθια, πλάγια και οπίσθια κέρατα του νωτιαίου μυελού.
Αντίθετα, η λευκή ύλη αποτελεί ένα μεγάλο μέρος της βαθύτερης ύλης του εγκεφάλου και των επιφανειακών στρωμάτων του νωτιαίου μυελού. Συνδέει τον φλοιό με τα βαθύτερα μέρη του εγκεφάλου και συνδέει τα δύο εγκεφαλικά ημισφαίρια μέσω μιας δομής που ονομάζεται corpus callosum. Η λευκή ύλη που βρίσκεται στα βαθύτερα τμήματα της παρεγκεφαλίδας μερικές φορές ονομάζεται κληματαριά. Στο νωτιαίο μυελό, η λευκή ύλη είναι πιο επιφανειακή από τη φαιά ουσία και περιβάλλει τα διάφορα κέρατα.
Η λευκή ουσία και η φαιά ουσία διαφέρουν επίσης ως προς τη συμβολή τους στον όγκο του εγκεφάλου και την κατανάλωση ενέργειας. Ενώ η λευκή ουσία αποτελεί περίπου το 60% του όγκου του εγκεφάλου, η γκρίζα ουσία το υπόλοιπο 40%. Η γκρίζα ύλη, ωστόσο, καταναλώνει περισσότερη ενέργεια και καταναλώνει περίπου το 94% του συνολικού οξυγόνου που πηγαίνει στον εγκέφαλο.