胚胎干細胞與普通細胞有顯著差別，有其特定的生長特性和特定的標志，例如堿性磷酸酶活性非常高，帶有胚胎階段特異性表面抗原( Stage- specific embryonic antigens,SSEA)，人類胚胎干細胞還帶有高分子量的糖蛋白TRA1-60、TRA-1-81等標志，這些特性和標志均可以用于對胚胎干細胞進行鑒定，除此之外，胚胎干細胞還可以在體外永久傳代，并保持正常核型。
在體外培養體系中加入分化抑制劑如白血病抑制因子( Leukaemia inhibitory factor,LF)或者在小鼠胚胎成纖維細胞飼養層(MEF)上培養時，胚胎干細胞都能呈克隆性增殖，長期保持核型正常和穩定，凍存解凍也不影響不分化的特性。另外，胚胎干細胞還表現岀高水平端粒酶活性，目前證明端粒酶與細胞衰老密切相關，多數成熟細胞的端粒酶活性都很低。這些都是胚胎干細胞與成熟細胞不同的重要特點，也可能是其復制生命期限遠比體細胞長的原因。