Otak mulai tumbuh sejak dalam kandungan. Saat lahir, sebagian besar sel pembawa pesannya, yang disebut neuron telah dibut tetapi mereka perlu lebih terhubung satu sama lain. Otak juga meupakan pusat komando tubuh manusia.
Perkembangan otak manusia dimulai segera setelah pembuahan dan berlanjut hingga awal masa dewasa. Otak janin mulai berkembang selama minggu ketiga kehamilan. Sel progenitor saraf mulai membelah dan berdiferensiasi menjadi neuron dan glia, dua jenis sel yang membentuk dasar sistem saraf.
Bayi yang baru lahir memiliki semua sel otak (neuron) yang akan mereka miliki selama sisa hidup mereka, tetapi hubungan antara sel-sel inilah yang benar-benar membuat otak bekerja.
Koneksi otak memungkinkan kita untuk bergerak, berpikir, berkomunikasi, dan melakukan hampir semua hal. Tahun-tahun anak usia dini sangat penting untuk membuat hubungan ini.
Sistem saraf mulai bekerja lebih awal selama kehidupan pranatal hanya ditunjukkan oleh gerakan-gerakan yang dihasilkan dari aktivitasnya. Refleks otot rangka janin adalah salah satu manifestasi fungsi, dan merupakan prilaku yang jelas. Cara lain mengunakan fungsi adalah melalui reaksi viseral, seperti jantung, aktivitas usus karena kontraksi otot polos,atau kelenjar .
Pada minggu kesembilan, otak tampak sebagai struktur kecil yang halus. Selama kehamilan, struktur otak akan berubah seiring pertumbuhannya dan mulai membentuk lipatan khas yang menunjukkan daerah otak yang berbeda.
Perubahan anatomi otak mencerminkan perubahan dramatis pada tingkat sel. Neuron di daerah otak yang berbeda mulai memproduksi molekul sinyal kimia yang memungkinkan komunikasi antar sel saraf. Jalur serat yang akan menjadi jalan informasi otak sedang terbentuk.
Sel-sel yang akan membentuk neokorteks bagian otak yang mengoordinasikan penglihatan, suara, penalaran spasial, pemikiran sadar, dan bahasa mulai berkomunikasi.
Meskipun dasar dari otak yang berfungsi terbentuk sebelum lahir, fungsi otak itu sendiri terus berkembang setelah lahir, sebagian besar didorong oleh input sensorik. Jumlah koneksi saraf meledak di tahun-tahun pertama kehidupan.
Namun proses yang membentuk struktur dan fungsi otak, dimungkinkan oleh jaringan sinapsis yang berkembang yang menghubungkan sel-sel saraf dan oleh penyesuaian progresif neuron untuk peran yang akan mereka mainkan dalam jaringan sinaptik mereka, berlanjut hingga masa remaja.