Cilmes šūnu diferenciācija ir process, kurā nespecializēta cilmes šūna attīstās par noteikta veida audi, piemēram, nobriedušu sarkano asins šūnu. Tas notiek visos dzīves posmos, sākot no ļoti agrīnas embrionālās attīstības līdz pieauguša cilvēka vecumam, jo ķermenim ir nepieciešams pastāvīgs jaunu specializētu šūnu piegādes funkcijai. Šūnu diferenciācijā ir iesaistīti vairāki faktori, tostarp vides un bioloģiskie izraisītāji dažādiem šūnu tipiem.
Dažādu veidu šūnu skaits, par kurām cilmes šūna var nobriest, ir atspoguļots tās iedarbībā. Totipotenta šūna brieduma laikā var attīstīties par jebkāda veida šūnām. Šādas šūnas atrodamas agrīnās embrija attīstības blastocistu fāzēs, kad katrai šūnai jāspēj radīt dažādas šūnas, lai embrijs varētu attīstīties. Embrionālajai attīstībai progresējot, cilmes šūnas pēc būtības kļūst pluripotentas, un tās spēj atšķirties dažādos šūnu tipos, bet ne visos.
Daudzpotentas cilmes šūnas var atšķirties vairākos saistītos šūnu tipos. Piemēram, hematopoētiskās šūnas, kas rada dažāda veida asins šūnas, var pakļaut cilmes šūnu diferenciāciju, lai pārvērstos par baltajām vai sarkanajām asins šūnām. Tomēr tie nevar pārvērsties par kuņģa gļotādu vai neironiem. Šāda veida multipotentas šūnas parasti ir sastopamas pieaugušiem organismiem, lai nodrošinātu nepārtrauktu svaigu šūnu piegādi, lai aizstātu nolietotās un bojātās vecās šūnas.
Cilmes šūnu diferenciācijā cilmes šūna saņem signālu, lai sāktu nobriešanu. Šūna var iziet vairākus dzīves posmus, pirms tā kļūst par nobriedušu šūnu. Jebkurā posmā var rasties kļūda, un šūna var kļūt nepareiza vai var rasties citas problēmas. Imūnsistēma joprojām uzmana šādas šūnas, lai tā varētu iejaukties, lai tās iznīcinātu un pārstrādātu to sastāvdaļas, pirms tām ir iespēja pilnībā attīstīties un radīt problēmas. Ķermenim pastāvīgi ir vajadzīgas jaunas asinis un ādas šūnas, cita starpā, un, lai apmierinātu šo vajadzību, tas ir atkarīgs no cilmes šūnu diferenciācijas.
Zinātniskie pētnieki ir īpaši ieinteresēti embriju cilmes šūnu diferenciācijā to totipotento un pluripotento īpašību dēļ. Viņi pēta embriju attīstību, lai uzzinātu vairāk par to, kā šūnas nobriest un kādā secībā rodas dažādas struktūras embrija attīstības laikā. Tas var sniegt svarīgu informāciju par iedzimtiem defektiem, kā arī organisma bioloģisko vēsturi. Daudzi organismi uzrāda paralēlu embrionālo attīstību līdz noteiktai stadijai, kad tie sāk izskatīties radikāli atšķirīgi, tāpat kā pilnīgi nobrieduši dažādu sugu īpatņi. Šīs attīstības līdzības var norādīt uz dažādu organismu evolūcijas vēsturi.