从受精卵发育为一个新个体历经复杂的演变过程，包括细胞增殖、死亡、分化、识别、迁移和菜单达，以及组织和器官的形成等。这些变化具严密规律，具有精细的时间顺序和空间关系。来自同一受精卵的细胞，它们的基因结构是相同的，胚胎发育变化中，细胞基因的表达起决定作用，并受内外环境因素的影响。胚胎发育机理是现代发育生物学中重大的研究课题。
（一）细胞分化
细胞分化（cell differentiation）是指幼稚细胞发育为具有某些特殊结构和功能的过程。如桑椹胚分化为内细胞群和滋养层两类不同的细胞。内细胞群又分化为三个胚层，三个胚层再分化形成各种组织。又如，造血干细胞先分化为各种造血相祖细胞，后者再分化为不同的血细胞；骨原细胞分化为成骨细胞或软骨细胞；精原细胞分化为精子等。这是广义的分化概念，它包括形态结构和功能的成熟过程。狭义的或更严格的分化概念，是指原始的或尚未定向的细胞不可逆地转变为某种定向细胞的时刻，它称之为决定（determination）。细胞的决定发生在它的形态结构变化之前，它的主要标志是能合成某种特殊蛋白质（如酶、受体等），故可以用测定蛋白质、受体或酶等技术研究细胞的分化。
不同种属动物，其早期胚胎细胞出现决定的时间不同。如无脊椎动物的卵裂球已经决定，故一部分卵裂球不能发育为完整的个体；而哺乳类的卵裂球尚未决定，其一部分卵裂球也可发育为一个完整的胚胎。如人桑椹胚若被分隔成两团细胞，它们各自可发育为一个胎儿（单卵孪生）。
（二）形态发生
组织和器官的形态发生（morphogenesis）是通过细胞的形态变化和运动、细胞的识别和粘着、细胞增殖和死亡等过程而实现的。
1．细胞形态变化和运动胚胎的形态发生多与细胞层的铺展、卷折、陷入、隆起和细胞迁移有关，而这又与细胞内微丝、微管配布引起的细胞形态变化和细胞外基质大分子物质的浓度有关。如外胚层在形成神经板、神经沟和神经管的过程中，细胞内微管先沿其两极平行纵向排列，细胞则沿纵轴伸长形成神经板，继而微丝平行排列于细胞顶端，细胞该端变窄，神经板逐渐下陷形成神经沟与神经管（图20－21）。体外培养的细胞向一个方向运动时，细胞则伸长，胞质内的微管也沿伸长和运的方向纵行排列，细胞前缘的细胞膜呈波浪状前行运动，也是与膜下大量微丝的参与相关的。基质大分子物质如纤维粘连蛋白（fibronectin）、层粘连蛋白（laminin）、胶原、糖胺多糖等也参与细胞的运动，它们可能通过细胞膜的蛋白受体与胞质内微丝连接，从而调节微丝、微管的排列方向而引起运动。细胞通过这种方式识别这些物质的浓度梯度，从而调整运动的方向。
图20－21神经管形成过程细胞形状与微丝、微管配布变化的关系
（1）外胚层细胞呈立方形，微丝和微管任意分布
（2）细胞变长，微管平行于长轴排列，形成神经板
（3）细胞顶部缩窄，微丝与表面平行分布，形成神经管
2．细胞识别和粘着胚胎发育中，同类或相关细胞能彼此识别，经过迁移能按一定的模式类聚和粘着在一起，构成组织。近年认为，这是由于细胞膜上的糖蛋白受体与相关细胞细胞衣内的糖链结合的结果。
3．细胞增殖和死亡胚胎时期的细胞增殖十分旺盛，其调控机制,尚不完全清楚。已知与多种刺激相应细胞增殖的化学因子有关，如生长激素、性激素、神经生长因子、表皮生长因子、血细胞生长因子、成纤维细胞生长因子、血细胞发生的多种集落刺激因子等。许多组织的细胞还产生抑素，可抑制自身的增殖。细胞内cAMP浓度下降时，细胞分裂加快，反之减慢。
胚胎发生中广泛存在细胞定时死亡现象，称程序性细胞死亡（apoptosis）。它是器官正常发生的重要因素，唯其机制不明。如人胚的尾芽和鳃的定期消失；早期手和足都形似桨板，在预定指或趾之间的细胞死亡后，才能形成指或趾。又如循环系统发生过程中的某段动脉或静脉的定时退化、女性中肾管的定期退化、男性中肾旁管的定期消失等都属此例。
（三）胚胎组织的相互影响
在胚胎的细胞分化和形态发生中，组织或细胞之间常是互以对方为条件而相互影响的。当相互作用的一方导致另一方的发育发生变化时，称此现象为诱导（induction）。诱导的实例甚多，如脊索诱导其背侧的外胚层发生神经管；眼发生中的视泡诱导表面外胚层发生晶状体；肢芽中胚层诱导表面外胚层形成顶嵴，后者决定肢体的形态发育。还有多层次诱导现象，如视泡诱导形成晶状体，后者再诱导表面外胚层和邻近的间充质形成角膜。相互诱导作用的事例如在是肾的发生中，输尿管芽诱导生后肾组织形成肾小管，生后肾组织又诱导输尿管芽分支形成集合小管。诱导作用具有严格的组织特异性和发育时期的限制，若过程受到干扰，改变原有的时空关系，就可能发生先天性畸形。关于诱导作用的机理，虽有不少实验研究，但迄今仍无明确结论。