La materia blanca se encuentra en la base del cerebro entre el cerebelo y el tronco encefálico. Está hecho de largas fibras nerviosas llamadas axones. Los axones están aislados por mielina, vainas de grasa que le dan a la región el color blanco por el que recibe su nombre. La mielina ayuda a acelerar la transmisión de señales a lo largo de los axones. Esas señales envían información sensorial del cuerpo a la corteza cerebral, ayudando a controlar las funciones autónomas del cuerpo. Las funciones autónomas son aquellas funciones corporales como la respiración, el parpadeo y la sudoración que se llevan a cabo sin que el cerebro piense conscientemente en ellas.
Parte del sistema nervioso central, la sustancia blanca incluye el tálamo y el hipotálamo que se encuentran en el cerebelo. El hipotálamo se encuentra debajo del tálamo. Ambas son redes neuronales que tienen varias funciones, pero la más importante parece ser que el tálamo transmite mensajes a la corteza cerebral, y el hipotálamo juega un papel importante en la regulación del sistema metabólico del cuerpo.
La materia blanca difiere de la materia gris en varios aspectos importantes. Aunque la materia gris también contiene axones, no están mielinizados. También contiene células nerviosas y dendritas, que se ramifican desde las células nerviosas. La materia gris sirve como centro de procesamiento de mensajes del cerebro y está a cargo del pensamiento consciente del cerebro. Mientras que la materia gris se encuentra en el exterior del cerebro y en el interior de la médula espinal, la materia blanca sigue el patrón opuesto. Se encuentra dentro del cerebro y fuera de la médula espinal.
En los humanos, la distribución de la materia blanca y gris varía entre los sexos. Los hombres tienen cerebros más grandes en promedio que las mujeres, pero las mujeres tienen proporcionalmente más materia gris, mientras que los hombres tienen mayores volúmenes de materia blanca. Las mujeres tienen más de la materia que conecta los dos hemisferios del cerebro, pero los hombres tienen concentraciones más altas dentro de cada hemisferio. Estas diferencias parecen correlacionarse con las tendencias en los hombres de mejorar en tareas espaciales que las mujeres. En contraste, las mujeres tienden a superar a los hombres en tareas verbales.
El envejecimiento también afecta la materia blanca del cerebro. A medida que el cerebro envejece, comienzan a aparecer lesiones en estas áreas, que comienzan a limitar la función cognitiva del cerebro, presumiblemente al afectar la capacidad del cerebro para enviar y recibir mensajes. Cuantas más lesiones tenga una persona, mayor será su capacidad cognitiva. Si bien las lesiones son una parte normal del envejecimiento, pueden verse exacerbadas por otros problemas de salud, especialmente la presión arterial alta.