Das zentrale Nervensystem kann in weiße Substanz und graue Substanz unterteilt werden. Diese beiden Abteilungen erhielten ihren Namen aufgrund des unterschiedlichen Aussehens in der groben menschlichen Anatomie. Weiße Substanz erscheint aufgrund des Vorhandenseins großer Mengen an Myelin, einem Fettprotein, das eine Isolationsfunktion für die Signalübertragung hat, weiß. Die graue Substanz erscheint aufgrund des Vorhandenseins neuronaler Zellkörper und Kapillaren sowie des relativen Mangels an Myelin graubraun. Weiße Substanz und graue Substanz unterscheiden sich aufgrund ihrer Komponenten, Funktionen und Lagen sowohl in der Hirn- als auch in der Rückenmarkssubstanz.
Weiße Substanz wird manchmal als Substantia alba bezeichnet. Es enthält myelinisierte Axonbahnen, die verschiedene Bereiche der grauen Substanz im Gehirn und Rückenmark verbinden. Diese myelinisierten Axone übertragen Nervenimpulse von einem Neuron zum anderen. Das Vorhandensein von Myelin ermöglicht eine schnellere Übertragung von Nervensignalen.
Darüber hinaus kann die weiße Substanz weiter in Projektionstrakte, Kommissuraltrakte und Assoziationstrakte unterteilt werden. Projektionsbahnen übertragen Nervensignale vom Kortex zu anderen Regionen des Gehirns oder vom Gehirn zu anderen Geweben des Körpers. Kommissuraltrakte ermöglichen die Kommunikation zwischen der linken und rechten Gehirnhälfte. Assoziationstrakte übertragen Nervensignale von einem kortikalen Lappen zum anderen.
Die graue Substanz wird manchmal als Substantia grisea bezeichnet. Es enthält hauptsächlich Zellkörper, Dendriten und Synapsen. Andere Bestandteile der grauen Substanz sind Neuropil, Gliazellen und Kapillaren. Neuropil ist der Sammelbegriff für Dendriten und Axone und kann myelinisiert oder nicht myelinisiert sein, während sich Gliazellen auf Astrozyten und Oligodendrozyten beziehen. Im Gegensatz zur weißen Substanz, die hauptsächlich der Übertragung von Nervensignalen dient, werden in der grauen Substanz solche Signale erzeugt und verarbeitet.
Weiße und graue Substanz unterscheiden sich auch in der Verteilung. Im Gehirn befindet sich die graue Substanz auf der Oberfläche der Großhirn- und Kleinhirnrinde. Es kommt auch in den tieferen Teilen des Großhirns vor, insbesondere in den Basalganglien, im Thalamus, im Hypothalamus und in verschiedenen subthalamischen Kernen. In den tieferen Teilen des Kleinhirns ist die graue Substanz als gezähnter, kugeliger, emboliformer und fastigialer Kern vorhanden, während sie in den tieferen Teilen des Hirnstamms als Substantia nigra sowie als roter, olivärer und kranialer Kern vorhanden ist Nervenkerne. Graue Substanz findet sich auch in den vorderen, seitlichen und hinteren Hörnern des Rückenmarks.
Im Gegensatz dazu bildet die weiße Substanz einen großen Teil der tieferen Hirnsubstanz und der oberflächlichen Schichten des Rückenmarks. Es verbindet den Kortex mit den tieferen Teilen des Gehirns und verbindet die beiden Großhirnhemisphären durch eine Struktur namens Corpus Callosum. Weiße Substanz, die sich in den tieferen Teilen des Kleinhirns befindet, wird manchmal als Lebensbaum bezeichnet. Im Rückenmark ist die weiße Substanz oberflächlicher als die graue Substanz und umgibt die verschiedenen Hörner.
Weiße und graue Substanz unterscheiden sich auch hinsichtlich ihres Beitrags zum Gehirnvolumen und ihres Energieverbrauchs. Während die weiße Substanz etwa 60 % des Gehirnvolumens ausmacht, macht die graue Substanz die anderen 40 % aus. Die graue Substanz verbraucht jedoch mehr Energie und verbraucht etwa 94% des gesamten Sauerstoffs, der zum Gehirn geht.