Smadzenes un muguras smadzenes veido centrālo nervu sistēmu (CNS) un parasti ir vienas no pirmajām ķermeņa daļām, kas attīstās embrijā. Nozīmīgā cilvēka attīstības stadijā embrija virsma parasti salocās un aizveras, veidojot caurulīti, kas iezīmē centrālās nervu sistēmas attīstības sākumu. Tā rezultātā veidojas struktūra, ko sauc par neiroporu, un kas parasti aizveras pēc četrām grūtniecības nedēļām. Pēc tam var attīstīties vairāki galvenie smadzeņu pūslīši. CNS turpina modificēt visu mūžu, jo nervu šūnas, ko sauc par neironiem, stimulē aksonus, sinapses un augšanas konusus.
Centrālās nervu sistēmas attīstība sākas, kad embrija audi virs struktūras, ko sauc par notohordu, tiek diferencēti kā neiroloģiski. Parasti veidojas rieva, un tad katrā pusē veidojas krokas. Tie parasti noslēdzas vidū un pēc tam secīgi katrā pusē, veidojot nervu caurulīti. Neironālais kanāls turpina attīstīties, un augšējā jeb rostrālā daļa kļūst par smadzeņu daļām, bet pārējā trakta daļa parasti pārvēršas par muguras smadzenēm.
Neironu krokas krokās daudzas šūnas kļūst par nervu struktūrām, ko sauc par ganglijiem, kā arī par aizsargaudiem, kas ieskauj smadzenes un muguras smadzenes. Pūslīši, kas veido vispārējo struktūru noteiktām smadzeņu daļām, parasti veidojas pēc tam. Tajos ietilpst priekšējās smadzenes, vidussmadzenes un aizmugurējās smadzeņu pūslīši. Trīs šūnu slāņi nervu caurulītē attīstās arī, veidojot muguras smadzenes; no šī procesa veidojas dažādas šūnas un dažādas struktūras auklā. Līdz astoņām grūtniecības nedēļām un centrālās nervu sistēmas attīstībai vads parasti veidojas kopā ar visu mugurkaula kanālu.
Nervu šūnas parasti dzīvo visu cilvēka mūžu. Tie var nomirt, bet tā vietā, lai tos aizstātu ar citām šūnām, savienojumi starp neironiem var mainīties. Centrālās nervu sistēmas attīstība bieži ir atkarīga no aksonu augšanas, kas stiepjas no šūnām. Procesu ietekmē atbilstošais kalcija daudzums katrā šūnā, savukārt sinapses nobriedušu aksonu galos parasti veidojas, kad tiek iedarbināti neirotropīna proteīni.
Aksoni aug un savienojas ar dažādām smadzeņu zonām. Dažas šūnas var darboties kā ceļveži noteiktā ceļā, savukārt molekulas uz dažām šūnu virsmām var atvairīt aksonu struktūru augšanas konusus. Atsevišķu zonu ķīmiskais sastāvs var izraisīt aksonu un nervu nostiprināšanos. Pareiza centrālās nervu sistēmas attīstība parasti ir vissvarīgākā embrionālajā stadijā, jo tā var ietekmēt cilvēka labklājību visas dzīves garumā. CNS ietekmē arī šūnu procesi, kas notiek pieaugušā vecumā, kas bieži vien ļauj smadzenēm pielāgoties videi.