胚胎干細胞(ESCs)來源于早期哺乳動物胚胎的囊胚階段，其特點是能夠分化成任何類型胚胎細胞，并具有自我更新的能力。正是這些特性使它們在科學和醫學領域具有價值。胚胎干細胞具有正常的核型，保持高端粒酶活性，并表現出顯著的長期增殖潛力。
多能性
內細胞團的胚胎干細胞具有多能性，這意味著它們能夠分化產生原始外胚層，在原腸胚形成過程中最終分化為三個初級胚層的所有衍生物：外胚層、內胚層和中胚層。這些胚層在成人體內生成220多種類型細胞中的每一種。當提供適當的信號時，胚胎干細胞最初形成前體細胞，隨后分化成所需的細胞類型。多能性將胚胎干細胞與成體干細胞區分開來，成體干細胞是專能性的，只能產生有限數量的細胞類型。
自我更新
在特定條件下，胚胎干細胞能夠在未分化狀態下無限期自我更新。自我更新的條件是必須防止細胞聚集并維持一個使其處于不分化狀態的環境。通常這是在實驗室用含有血清和白血病抑制因子的培養基或含有兩種抑制藥物(甲乙酮抑制劑PD03259010和GSK-3抑制劑CHIR99021，“2i”)的無血清培養基來實現的。
增殖
由于細胞周期中G1期縮短，胚胎干細胞分裂非常頻繁。快速的細胞分裂使細胞數量快速增加，而不是細胞大小增加，這對早期胚胎發育很重要。在胚胎干細胞中，參與細胞周期G1/S轉換的細胞周期蛋白A和細胞周期蛋白E總是高水平表達。促進細胞周期進程的細胞周期蛋白依賴性激酶，如CDK2，部分原因是由于其抑制因子的下調而過度激活。視網膜母細胞瘤蛋白抑制轉錄因子E2F，直到細胞準備進入S期，但在胚胎干細胞中視網膜母細胞瘤蛋白被過度磷酸化而失活，導致增殖基因的持續表達。這些變化導致細胞分裂周期加快。盡管縮短的G1期與胚胎干細胞的多能性維持有關，但在含兩種抑制藥物的無血清條件下生長的胚胎干細胞確實表達低磷酸化活性的視網膜母細胞瘤蛋白，并具有延長的G1期。盡管與含血清培養基中生長的胚胎干細胞相比，細胞周期有所不同，但這些細胞具有相似的多能性，多能因子Oct4和Nanog在轉錄調節胚胎干細胞細胞周期中發揮作用。