胚胎干细胞具有多能性（Pluripotency），特点是可以通过细胞分化（Cellulardifferentiation）成多种组织（所有组织，包括生殖系细胞）的能力，但无法独自发育成一个个体（利用四倍体融合技术可以得到完全由所用ES细胞发育而来的个体）。它可以发育成为外胚层、中胚层及内胚层三种胚层的细胞组织。这里我们所说的多能性与我们平常所理解的多种分化潜能的细胞存在着不同，英文单词中很好区分，一个是pluripotency；一个是multipotency。我们这里理解的多能性是可分化成三胚层的任意细胞，而多种潜能细胞则只能分化成为有限的几种细胞，例如：造血干细胞。在无外界提供分化的刺激之下（即可在实验环境下生长），胚胎干细胞在经过多重细胞分裂之后，仍然能保有万能分化性（但有实验数据表明在培养过程中ES细胞也会发生变化）。成人干细胞能否保有万能分化性，直到现在仍然有争议（目前一般不采用体外传代来扩增成体干细胞）。不过，有研究已示范了多能干细胞可以从成纤维细胞等很多细胞中产生出来，这也就是目前很热的诱导性多能干细胞（inducedpluripotentstemcells，iPScells），目前越来越多的数据显示这种多能干细胞和胚胎干细胞还是存在很大差异的。