Die Entwicklung des Nervensystems wird durch genetische Informationen, Ernährung sowie zelluläre und molekulare Signale innerhalb des Embryos gesteuert. Das Gehirn und das Rückenmark beginnen sich früh in der Schwangerschaft zu bilden, obwohl es Jahre braucht, um zu reifen. Beim Menschen gehören zu den Faktoren, die die neuronale Entwicklung von Kindern nach der Geburt beeinflussen, die Sinnesorgane, die Umgebung und das Ausmaß, in dem das Gehirn und das Nervensystem zum Wachstum herausgefordert werden. Die Entwicklung des Nervensystems bei Erwachsenen hängt von der Plastizität ab, der Fähigkeit des Gehirns, sich anzupassen, Neues zu lernen und neue Aufgaben zu erfüllen.
Bei Embryonen wird die Entwicklung durch Gene gesteuert, die Wachstumsfaktoren genannt werden, die den Zellen sagen, wann und wo sie wachsen sollen. Eine vom Protogewebe getrennte Zellschicht, die als Ektoderm bezeichnet wird. Diese werden zu Neuralleistenzellen, die sich in das Rückenmark und periphere Nerven sowie das Neuralrohr differenzieren, aus dem das Gehirn gebildet wird. Die neuronale Migration folgt, wenn sich Neuronen gemäß chemischen Signalen an den Orten anordnen, an denen sie dauerhaft besetzen werden. Wachsende Axone, die Fortsätze von Nervenzellkörpern, haben eine spezielle Spitze, den Wachstumskegel, der nach diesen chemischen Hinweisen sucht.
Zu den Faktoren, die die Entwicklung in dieser frühen Phase beeinflussen, gehören die genetischen „Schalter“, die das Gewebewachstum im Embryo und bei Säugetieren einschließlich des Menschen die Ernährung der Mutter steuern. Viele Chemikalien, sogenannte Teraagene, können die Bildung des Nervensystems beeinträchtigen. Alkohol, Tabak, einige Pestizide, Viren und sogar eine Überdosierung von fettlöslichen Vitaminen können Geburtsfehler oder den embryonalen oder fötalen Tod verursachen. Die Entwicklung des Nervensystems ist in den ersten Schwangerschaftswochen am anfälligsten für diese Stoffe.
Nach der Geburt beschleunigt sich ein wichtiger Prozess namens Myelinisierung für mehrere Jahre, bevor er im Jugendalter abgeschlossen ist. Myelin ist eine schützende Hülle um die Nerven, die die elektrische Kommunikation unterstützt. Kognitive und sensomotorische Funktion hängen von spezifischen Pfaden ab, die durch Myelin isoliert werden. Da elektrische Signale in unbedeckten Nerven langsam und unvollständig übertragen werden, ist die Myelinisierung ein entscheidender Faktor bei der Entwicklung des Nervensystems.
Ein wichtiger Faktor bei der neuronalen Entwicklung ist die Bildung neuronaler Netzwerke, die Millionen von Zellen im Gehirn miteinander verbinden. Neuronen funktionieren durch Rückkopplungsschleifen, die durch Erfahrung modifiziert werden. Viele Regionen der Großhirnrinde sind bei der Geburt unvollständig „verdrahtet“ oder vernetzt und entwickeln sich später. Ein klassisches Beispiel hierfür ist der visuelle Kortex, der durch Licht aktiviert wird und sich nur entwickeln kann, wenn ein kleines Kind funktionsfähige Augen hat. Wenn das Sehvermögen in diesem kritischen Stadium beeinträchtigt ist, kann das Gehirn später im Leben nicht mehr in der Lage sein, das Sehvermögen zu verarbeiten.
Die Entwicklung des Nervensystems beim Menschen ist stark mit der Aktivität nach der Geburt verbunden. Einige Regionen des Gehirns, die während der Schwangerschaft verbunden sind, können während der Kindheit zurückgeschnitten werden, und neue können aufgrund von Erfahrungen wie dem Erlernen des Sprechens, Laufens oder Schreibens verbunden werden. Bei Hirnschädigungen kann eine aktive physikalische und kognitive Therapie auch verloren gegangene Funktionen des Zentralnervensystems teilweise wiederherstellen. Aufgrund der Neuroplastizität kann ein Teil des Gehirns die Funktion eines anderen geschädigten Teils übernehmen.