Durante o período pré-natal, os embriões humanos passam de algumas células a um bebê totalmente formado em cerca de 38 semanas. O cérebro humano tem sua própria linha de tempo de crescimento durante este período e tende a ser consistente para fetos humanos saudáveis. Os principais estágios do desenvolvimento cerebral pré-natal ocorrem ao longo dos nove meses de gravidez, incluindo a criação do tubo neural no primeiro mês, o crescimento do córtex cerebral no segundo mês, o desenvolvimento dos sentidos no quarto mês e a separação do córtex em lobos no sexto mês.
Os cientistas conseguiram definir a linha do tempo para o desenvolvimento normal do cérebro pré-natal graças a vários caminhos de pesquisa. Isso inclui investigações pós-morte em embriões e fetos não sobreviventes em vários estágios de desenvolvimento fetal. Os médicos também realizaram experimentos e dissecações em fetos de animais que têm estruturas cerebrais semelhantes às humanas, como macacos. Por último, tecnologias modernas como a imagem permitem que os cientistas examinem e monitorem o desenvolvimento pré-natal do cérebro em fetos enquanto eles ainda estão no útero de suas mães. Por meio de todos esses métodos, os especialistas mapearam o desenvolvimento físico do cérebro, bem como o desenvolvimento emocional e mental.
O desenvolvimento do cérebro pré-natal começa no primeiro mês do período pré-natal. Durante esse tempo, todos os outros órgãos principais estão tomando forma. Na terceira semana de vida, o coração humano começa a bater. É nessa época que a forma mais antiga de um cérebro toma forma. Chamada de tubo neural, essa estrutura eventualmente evolui para a medula espinhal e o cérebro.
No segundo e terceiro meses de desenvolvimento, as características faciais do embrião começam a se desenvolver para uma forma mais humana, incluindo boca, nariz, olhos, pálpebras e orelhas. Nesse momento, o tubo neural começa a se transformar no que se tornará as principais partes do cérebro, incluindo o córtex cerebral. Correspondentemente, no terceiro mês de desenvolvimento pré-natal, o embrião começa a mostrar reações e reflexos. As reações do feto a experiências externas, como luzes brilhantes e ruídos, continuam a se desenvolver até o quarto mês, assim como a capacidade do minúsculo ser de fazer expressões faciais.
No quinto mês de desenvolvimento cerebral pré-natal, o feto começa a controlar realmente essas expressões e reações. Nesse ponto, o desenvolvimento físico é tal que o feto pode se esticar e até virar no útero. Os especialistas acreditam que a capacidade de reagir conscientemente às sensações fica ainda mais forte durante o sexto mês, quando o córtex cerebral se divide em lobos separados. O feto neste ponto pode até ter a capacidade de lembrar.
Os estágios finais do desenvolvimento pré-natal do cérebro no último trimestre levam a um cérebro que se torna quase semelhante ao de um ser humano totalmente formado, pelo menos em estrutura. No sétimo mês, o cérebro pré-natal desenvolve a aparência sulcada e curva que está associada ao cérebro adulto, e a mielina se desenvolve na parte externa dos nervos do cérebro para isolá-los. As ondas cerebrais podem ser detectadas. Então, no oitavo mês, os córtices principais se formam, como o auditivo e o visual, permitindo que o feto compreenda o que vê e ouve. O cérebro fetal contém cerca de tantas células neuronais quanto o cérebro de um adulto no mês final, embora seja apenas um quarto do tamanho de um adulto no nascimento.