A substância branca está localizada na base do cérebro entre o cerebelo e o tronco cerebral. É feito de longas fibras nervosas chamadas axônios. Os axônios são isolados por mielina, bainhas de gordura que dão à região a cor branca pela qual é chamada. A mielina ajuda a acelerar a transmissão de sinais ao longo dos axônios. Esses sinais enviam informações sensoriais do corpo para o córtex cerebral, ajudando a controlar as funções autonômicas do corpo. Funções autonômicas são aquelas funções corporais, como respiração, piscada e sudorese, que são realizadas sem que o cérebro pense conscientemente sobre elas.
Parte do sistema nervoso central, a substância branca inclui o tálamo e o hipotálamo, localizados no cerebelo. O hipotálamo está localizado abaixo do tálamo. Ambas são redes neurais com várias funções, mas a mais importante parece ser que o tálamo transmite mensagens para o córtex cerebral e o hipotálamo desempenha um papel importante na regulação do sistema metabólico do corpo.
A substância branca difere da substância cinzenta em vários aspectos importantes. Embora a substância cinzenta também contenha axônios, eles não são mielinizados. Ele também contém células nervosas e dendritos, que se ramificam a partir das células nervosas. A matéria cinzenta serve como o centro de processamento de mensagens do cérebro e é responsável pelo pensamento consciente do cérebro. Enquanto a substância cinzenta está localizada na parte externa do cérebro e na parte interna da medula espinhal, a substância branca segue o padrão oposto. Está localizado dentro do cérebro e fora da medula espinhal.
Nos seres humanos, a distribuição da substância branca e cinza varia entre os sexos. Os homens têm cérebros maiores, em média, do que as mulheres, mas as mulheres têm proporcionalmente mais massa cinzenta, enquanto os homens têm maiores volumes de substância branca. As mulheres têm mais do que conectar os dois hemisférios do cérebro, mas os homens têm maiores concentrações dentro de cada hemisfério. Essas diferenças parecem correlacionar-se às tendências nos homens de se sair melhor em tarefas espaciais do que nas mulheres. As mulheres, por outro lado, tendem a superar os homens em tarefas verbais.
O envelhecimento também afeta a substância branca do cérebro. À medida que o cérebro envelhece, começam a aparecer lesões nessas áreas, que começam a limitar a função cognitiva do cérebro, presumivelmente prejudicando a capacidade do cérebro de enviar e receber mensagens. Quanto mais lesões uma pessoa tem, mais sua capacidade cognitiva é prejudicada. Embora as lesões sejam parte normal do envelhecimento, elas podem ser exacerbadas por outros problemas de saúde, principalmente pela pressão alta.