ES細胞的全能性指ES細胞在解除分化抑制的條件下能參與包括生殖腺在內的各種組織的發育潛力，即ES細胞具有發育成完整動物體的能力，可以為細胞的遺傳操作和細胞分化研究提供豐富的試驗材料。ES細胞發育全能性的標志是ES細胞表面表達時相專一性胚胎抗原（Stagespecificembryonicant，SSEA），而且可以檢查到Oct4基因的表達，這兩種蛋白是發育全能性的標志。ES細胞中AKP及端粒酶活性較高，可用于ES細胞分化與否的鑒定。ES細胞的多能性是指ES細胞具有發育成多種組織的能力，參與部分組織的形成。將ES細胞培養在不含分化抑制物的培養基上，可以形成類胚體。將ES細胞在特定培養基進行培養，可以定向分化成特定組織，如ES細胞在含有白血病抑制因子（LIF）和維生素A酸（RA）的培養基上，可以分化形成全壁內胚層，將ES細胞與胚胎細胞共培養或將ES細胞注入囊胚腔中，ES細胞就會參與多種組織的發育。