Las células madre totipotentes puede crecer y formar un organismo completo. Los componentes embrionarios tales como las tres capas embrionarias, el linaje germinal y los tejidos que darán lugar al saco vitelino así como los componentes extraembrionarios, tal como la placenta, tienen características de células madre totipotentes.
La célula madre por excelencia es el cigoto, formado cuando un óvulo es fecundado por un espermatozoide. El cigoto es totipotente, es decir, puede dar lugar a todas las células del feto y a la parte embrionaria de la placenta.
Conforme el embrión se va desarrollando, sus células van perdiendo la propiedad de totipotencia de forma progresiva, llegando a la fase de blástula o blastocisto en la que contiene células madre pluripotentes (células madre embrionarias) capaces de diferenciarse en cualquier célula del organismo, salvo las de la parte embrionaria de la placenta. En tal sentido la célula madre pluripotente no puede formar un organismo completo, pudiendo dar origen a cualquier otro tipo de célula proveniente de los tres linajes embrionarios (endodermo, ectodermo y mesodermo), así como el germinal y el saco vitelino. Conforme avanza el desarrollo embrionario se forman diferentes poblaciones de células madre con una potencialidad de regenerar tejidos cada vez más restringida.
Las células madre multipotentes son aquellas que solo pueden generar células de su propia capa o linaje embrionario de origen (por ejemplo: una célula madre mesenquimal de médula ósea, al tener naturaleza mesodérmica, dará origen a células de esa capa como miocitos, adipocitos u osteocitos, entre otras). Un claro ejemplo de células madre órgano-específicas o multipotenciales, es el de las células de la médula ósea, que son capaces de generar todos los tipos celulares de la sangre y del sistema inmune, utilizadas en transplantes para tratar determinadas patologías.
En cambio, las células madre unipotentes pueden formar únicamente un tipo de célula particular.
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