Dezvoltarea sistemului nervos este direcționată de informații genetice, nutriție și semnale celulare și moleculare din embrion. Creierul și măduva spinării încep să se formeze la începutul gestației, deși durează ani pentru a se maturiza. La oameni, factorii care afectează dezvoltarea neuronală a copiilor după naștere includ organele de simț, mediul și măsura în care creierul și sistemul nervos sunt provocați să se dezvolte. Dezvoltarea sistemului nervos la adulți depinde de plasticitate, de capacitatea creierului de a se adapta, de a învăța lucruri noi și de a îndeplini sarcini noi.
La embrioni, dezvoltarea este direcționată de gene numite factori de creștere, care spun celulelor când și unde să crească. Un strat de celule separat de proto-țesut numit ectoderm. Acestea devin celule ale crestei neurale care se diferentiaza in maduva spinarii si nervii periferici si tubul neural, din care este format creierul. Migrația neuronală urmează pe măsură ce neuronii se aranjează în funcție de semnale chimice în locațiile pe care le vor ocupa permanent. Axonii în creștere, proiecțiile corpurilor celulare nervoase, au un vârf special numit con de creștere care caută aceste indicii chimice.
În această perioadă timpurie, factorii care afectează dezvoltarea includ „comutatoarele” genetice care direcționează creșterea țesuturilor în embrion și, la mamifere, inclusiv la oameni, dieta mamei. Multe substanțe chimice, numite teratageni, pot afecta formarea sistemului nervos. Alcoolul, tutunul, unele pesticide, virusurile și chiar supradozele de vitamine liposolubile pot provoca malformații congenitale sau moartea embrionară sau fetală. Dezvoltarea sistemului nervos este cea mai vulnerabilă la aceste substanțe în primele săptămâni de sarcină.
După naștere, un proces important numit mielinizare se accelerează de câțiva ani înainte de a fi finalizat în adolescență. Mielina este o teaca protectoare in jurul nervilor care ajuta la comunicarea electrica. Funcția cognitivă și senzorio-motorie depind de căi specifice izolate de mielină. Deoarece semnalele electrice călătoresc lent și incomplet în nervii descoperiți, mielinizarea este un factor crucial în dezvoltarea sistemului nervos.
Un factor important în dezvoltarea neuronală este formarea de rețele neuronale care leagă milioane de celule din creier. Neuronii funcționează prin bucle de feedback modificate de experiență. Multe regiuni ale cortexului cerebral sunt incomplet „conectate” sau conectate în rețea la naștere și se dezvoltă mai târziu. Un exemplu clasic în acest sens apare în cortexul vizual, care este activat de lumină și se poate dezvolta numai dacă un copil mic are ochi funcționali. Dacă vederea este afectată în această etapă critică, creierul poate rămâne incapabil să proceseze vederea mai târziu în viață.
Dezvoltarea sistemului nervos la om este strâns legată de activitatea după naștere. Unele regiuni ale creierului conectate în timpul gestației pot fi tăiate înapoi în timpul copilăriei, iar altele noi pot fi asociate datorită unor experiențe precum învățarea de a vorbi, de a merge sau de a scrie. În cazurile de leziuni cerebrale, terapia fizică și cognitivă activă poate, de asemenea, restabili parțial funcțiile pierdute ale sistemului nervos central. Datorită neuroplasticității, o parte a creierului poate prelua funcția altei părți deteriorate.