總的來講，胚胎性干細胞的形態結構與早期胚胎細胞相似，細胞較小，核質比高，細胞核顯著，有一個或多個核仁，染色質較分散，胞質內除游離核糖體外，其它細胞器很少；細胞呈多層集落狀生長，緊密堆積在一起，無明顯細胞界限，形似鳥巢。
但不同物種、不同類型的胚胎性干細胞的結構特征又有所不同。
如小鼠ES細胞和人EG細胞形成的細胞集落一般呈緊密的球形，它不易被常規消化方法分散成單細胞；而人及某些靈長類動物的ES細胞形成的細胞集落相對較為扁平、松散，很容易被胰蛋白酶消化成單細胞。
ES、EG細胞的柒色體正常，具有穩定的二倍體核型。
在未分化的ES細胞中沒有雌性動物體細胞中的x染色體失活現象。