Le cellule staminali sono particolari cellule che si trovano in qualsiasi organismo e che si distinguono da qualsiasi altro tipo di cellula perché non sono ancora differenziate, non avendo ancora raggiunto un grado di specializzazione ben definito, sia per quel che concerne l'aspetto che per la funzione. Le cellule staminali hanno l'enorme potenzialità di dare origine ad altre cellule di diverso tipo, caratteristica fondamentale che può essere impiegata in campo medico per riparare organi o tessuti danneggiati, come nel caso delle leucemie, malattie curate ormai da qualche anno grazie alle cellule staminali prelevate dal midollo osseo, sede di maggior produzione di queste cellule negli individui adulti. Tuttavia, le cellule staminali sono presenti anche nell'embrione e nel cordone ombelicale ed è proprio per questo che negli ultimi anni si sono accesi dibattiti sull'opportunità di prelevare queste cellule dagli individui adulti piuttosto che dagli embrioni, causandone così la morte. Bisogna però sottolineare la diversa potenzialità delle cellule staminali a seconda dell'origine, molto più marcata in quelle embrionali. 
Le cellule staminali embrionali - Nel momento del concepimento, ogni individuo è costituito esclusivamente da un'unica cellula formatasi dall'unione dei gameti maschile e femminile, ossia lo zigote. È da questa cellula che si origineranno successivamente tutti i tessuti e gli organi dell'individuo e questo avviene grazie alla capacità dello zigote di contenere ogni informazione necessaria per creare tutte le future cellule dell'organismo. Proprio per questa sua capacità di dare origine a qualsiasi tessuto, le cellule staminali embrionali vengono anche definite totipotenti, in quanto possono specializzarsi in qualunque tessuto, da quello cardiaco a quello nervoso, sanguigno o anche osseo.
Durante il processo di sviluppo dello zigote, con conseguenti e ripetute divisioni cellulari, le cellule che ne derivano si avvicinano gradualmente a un certo livello di specializzazione, non risultando più capaci di dare origine a qualsiasi forma di tessuto; inizialmente si parla di cellule staminali totipotenti (possono svilupparsi nell'intero organismo), poi multipotenti (o pluripotenti) e infine di cellule unipotenti perché sono in grado di originare esclusivamente un tipo di cellula.  
Le cellule staminali adulte o somatiche - Anche nell'individuo adulto rimangono alcune cellule staminali con lo scopo di assicurarne il mantenimento, per esempio tramite la creazione di nuove cellule del sangue (in questo caso si tratta di cellule staminali ematopoietiche), ma la maggior parte degli scienziati è concorde nell'approfondire le ricerche sulle cellule staminali embrionali, onde poter arrivare a comprendere meglio il funzionamento di quelle adulte. Le sedi in cui è possibile ritrovare cellule staminali negli adulti sono il cuore, il cervello, il fegato, la pelle e la retina, organi da cui è possibile prelevarle per la cura di numerose malattie degenerative come il morbo di Parkinson, il diabete, l'infarto del miocardio o del cervello e la malattia di Alzheimer, gravi patologie che tendono a distruggere i tessuti interessati. Tra le cellule staminali adulte vanno comprese anche quelle contenute nei vasi sanguigni del cordone ombelicale, che spesso viene eliminato dalle strutture ospedaliere dopo la nascita, anche se negli ultimi anni si sta diffondendo la sua donazione a scopi curativi prevalentemente per la sua potenzialità ematopoietica. 
Cellule staminali embrionali o adulte? – Annoso e di difficile soluzione il dibattito che da anni imperversa nella comunità scientifica riguardo l'utilizzo di cellule staminali embrionali piuttosto che adulte nel campo della ricerca medica. Non tutti gli Stati sono infatti d'accordo sulla legittimità di impiegare embrioni con lo scopo di ottenere cellule staminali e si oppongono fermamente, sostenendo inoltre la medesima potenzialità rigenerativa di quelle adulte, anche se in realtà le loro capacità non sono illimitate.
Generalmente, le cellule staminali embrionali sono ottenute da tecniche di coltura embrionale di laboratorio, impiegando feti derivanti dalle procedure della fecondazione assistita, ormai congelati e non più impiantabili nell'utero della madre (i cosiddetti embrioni sovranumerari). In alcuni casi si impiegano cellule staminali fetali ricavate da aborti, alla pari dell'uso che si può fare degli organi sani che vengono espiantati dai cadaveri, ma non è ancora confermato se la loro capacità è totipotente alla pari di quelle embrionali. In molti casi si ricorre comunque all'estrazione di cellule staminali da un embrione sano, che in seguito non supera quasi mai le due settimane dalla fecondazione. 
Impiego delle cellule staminali in campo medico: clonazione terapeutica e TNSA - Per clonazione si intende solitamente la riproduzione di un organismo geneticamente identico all'organismo che ha donato la cellula utilizzata, senza necessità della fusione dei gameti, che darebbe naturalmente origine a un codice genetico differente. La tecnica consiste nell'estrarre il nucleo da una cellula somatica qualunque, impiantandolo poi in un ovocita fecondato, che sia stato precedentemente privato del nucleo. A questo punto l'ovocita con il nuovo nucleo può seguire due strade: essere impiantato in un utero e svilupparsi per dare origine a un cosiddetto clone (clonazione riproduttiva) o essere utilizzato come fonte di cellule staminali embrionali, che si formeranno subito dopo la fecondazione (clonazione terapeutica). Quest'ultima ha dei risvolti notevoli in campo medico poiché può fornire cellule staminali senza che si arrivi alla formazione dell'embrione, interrompendo lo sviluppo delle cellule molto tempo prima.
Esiste infine una nuova tecnica per la formazione di cellule staminali definita TNSA, ossia Trasferimento Nucleare di Staminali Autologhe, simile alla clonazione, ma senza la necessità che si formi lo zigote. Pur utilizzando le tecniche di trasferimento nucleare, il procedimento porta a una riprogrammazione del nucleo delle cellule somatiche mediante il contatto con il contenuto cellulare dell'ovocita, senza dare origine a uno zigote vero e proprio, poiché non più in grado di dare origine a un embrione e successivamente a un feto. Si tratta fondamentalmente di un processo che origina una forma di espansione cellulare, ottenuta tramite via asessuata.