Diferențierea celulelor stem este un proces în care o celulă stem nespecializată se dezvoltă într-un anumit tip de țesut, cum ar fi un globule roșu matur. Acest lucru se întâmplă în toate etapele vieții, de la dezvoltarea embrionară foarte timpurie până la vârsta adultă, deoarece organismul are nevoie de o aprovizionare constantă cu noi celule specializate pentru a funcționa. Mai mulți factori sunt implicați în diferențierea celulară, inclusiv factorii declanșatori de mediu și biologici pentru diferite tipuri de celule.
Numărul de tipuri diferite de celule în care se poate maturiza o celulă stem este reflectat de potența sa. O celulă totipotentă se poate dezvolta în orice fel de celulă la maturitate. Astfel de celule se găsesc în fazele timpurii de blastocist ale dezvoltării embrionare, când fiecare celulă trebuie să poată da naștere la o varietate de celule pentru ca un embrion să se dezvolte. Pe măsură ce dezvoltarea embrionară progresează, celulele stem devin pluripotente în natură, având capacitatea de a diverge într-o varietate de tipuri de celule, dar nu toate.
Celulele stem multipotente se pot diferenția în mai multe tipuri de celule înrudite. De exemplu, celulele hematopoietice care dau naștere la diferite tipuri de celule sanguine pot suferi diferențierea celulelor stem pentru a se transforma în globule albe sau roșii. Ele nu se pot transforma, totuși, în mucoasa stomacului sau în neuroni. Celulele multipotente de această natură se găsesc în mod obișnuit în organismele adulte pentru a furniza continuu celule proaspete pentru a înlocui celulele mai vechi uzate și deteriorate.
În diferențierea celulelor stem, o celulă stem primește un semnal pentru a începe maturizarea. Celula poate trece prin mai multe etape de viață înainte de a deveni o celulă matură. În orice stadiu, poate apărea o eroare, iar celula poate deveni deformată sau poate dezvolta alte probleme. Sistemul imunitar rămâne atent la astfel de celule, astfel încât să poată interveni pentru a le distruge și a recicla componentele lor înainte ca acestea să aibă ocazia să se dezvolte pe deplin și să provoace probleme. Organismul are nevoie în mod constant de noi sânge și celule ale pielii, printre altele, și se bazează pe diferențierea celulelor stem pentru a satisface această nevoie.
Cercetătorii științifici au un interes deosebit în diferențierea celulelor stem embrionare datorită proprietăților lor totipotente și pluripotente. Ei studiază dezvoltarea embrionară pentru a afla mai multe despre cum se maturizează celulele și despre ordinea în care apar diferitele structuri pe măsură ce se dezvoltă un embrion. Acest lucru poate oferi informații importante despre malformațiile congenitale, precum și despre istoria biologică a unui organism. Multe organisme prezintă o dezvoltare embrionară paralelă până la un anumit stadiu, în care încep să arate radical diferit, la fel ca exemplarele complet mature ale diferitelor specii. Aceste asemănări în dezvoltare pot sugera istoria evolutivă a diferitelor organisme.