Die weiße Substanz befindet sich an der Basis des Gehirns zwischen dem Kleinhirn und dem Hirnstamm. Es besteht aus langen Nervenfasern, die Axone genannt werden. Die Axone sind durch Myelin isoliert, Fetthüllen, die der Region die weiße Farbe verleihen, nach der sie benannt ist. Das Myelin hilft, die Signalübertragung entlang der Axone zu beschleunigen. Diese Signale senden sensorische Informationen vom Körper an die Großhirnrinde und helfen dabei, die autonomen Funktionen des Körpers zu kontrollieren. Autonome Funktionen sind jene Körperfunktionen wie Atmen, Blinzeln und Schwitzen, die ausgeführt werden, ohne dass das Gehirn bewusst daran denkt.
Als Teil des zentralen Nervensystems umfasst die weiße Substanz den Thalamus und den Hypothalamus, die sich im Kleinhirn befinden. Unterhalb des Thalamus befindet sich der Hypothalamus. Beide sind neuronale Netze, die mehrere Funktionen haben, aber die wichtigste scheint zu sein, dass der Thalamus Nachrichten an die Großhirnrinde weiterleitet und der Hypothalamus eine große Rolle bei der Regulierung des Stoffwechselsystems des Körpers spielt.
Weiße Substanz unterscheidet sich von grauer Substanz in mehreren wichtigen Aspekten. Obwohl die graue Substanz auch Axone enthält, sind sie nicht myelinisiert. Es enthält auch Nervenzellen und Dendriten, die von den Nervenzellen abzweigen. Die graue Substanz dient als Nachrichtenverarbeitungszentrum des Gehirns und ist für das bewusste Denken des Gehirns verantwortlich. Während sich die graue Substanz an der Außenseite des Gehirns und im Inneren des Rückenmarks befindet, folgt die weiße Substanz dem entgegengesetzten Muster. Es befindet sich im Gehirn und außerhalb des Rückenmarks.
Beim Menschen variiert die Verteilung der weißen und grauen Substanz zwischen den Geschlechtern. Männer haben im Durchschnitt ein größeres Gehirn als Frauen, aber Frauen haben proportional mehr graue Substanz, während Männer ein höheres Volumen an weißer Substanz haben. Frauen haben mehr von der Substanz, die die beiden Hemisphären des Gehirns verbindet, aber Männer haben höhere Konzentrationen in jeder Hemisphäre. Diese Unterschiede scheinen mit der Tendenz zu korrelieren, dass Männer bei räumlichen Aufgaben besser abschneiden als Frauen. Im Gegensatz dazu neigen Frauen dazu, Männer bei verbalen Aufgaben zu übertreffen.
Das Altern beeinflusst auch die weiße Substanz des Gehirns. Mit zunehmendem Alter des Gehirns treten in diesen Bereichen Läsionen auf, die die kognitive Funktion des Gehirns einschränken, vermutlich durch Beeinträchtigung der Fähigkeit des Gehirns, Nachrichten zu senden und zu empfangen. Je mehr Läsionen ein Mensch hat, desto mehr ist seine kognitive Fähigkeit beeinträchtigt. Während Läsionen ein normaler Teil des Alterns sind, können sie durch andere Gesundheitsprobleme, insbesondere Bluthochdruck, verschlimmert werden.