Le cellule staminali sono cellule non specializzate. Diversamente da un globulo rosso, capace di trasportare l'ossigeno attraverso il circolo sanguigno, o una cella dei muscoli, che coopera con le altre cellule per produrre i movimenti, una cellula staminale non possiede alcuna caratteristica specializzazione fisiologica.

Le cellule staminali si possono dividere infinite volte per produrre cellule figlie che sono copie perfette della cellula madre. Tale processo è denominato "autorinnovamento" (o "self-renewal") e viene mantenuto per tutta la vita di un organismo. L'autorinnovamento è una caratteristica distintiva delle cellule staminali. Le cellule specializzate, infatti, come ad esempio quelle del sangue o dei muscoli, normalmente non si dividono, e quando vengono danneggiate gravemente, come nel corso di una malattia o di un trauma, esse non possono più rigenerarsi.

Le cellule staminali possono anche dividersi e produrre cellule più specializzate, attraverso un processo denominato "differenziamento". Le cellule staminali presenti nei vari distretti corporei ed ai diversi stadi di sviluppo dell'organismo, possiedono un diverso potenziale differenziativo sia in termini di varietà che di numero di cellule che possono originare. Secondo la visione classica, man mano che un organismo procede lungo i diversi stadi di sviluppo, il potenziale differenziativo di una cellula staminale viene progressivamente a restringersi.