总的来讲，胚胎性干细胞的形态结构与早期胚胎细胞相似，细胞较小，核质比高，细胞核显著，有一个或多个核仁，染色质较分散，胞质内除游离核糖体外，其它细胞器很少；细胞呈多层集落状生长，紧密堆积在一起，无明显细胞界限，形似鸟巢。
但不同物种、不同类型的胚胎性干细胞的结构特征又有所不同。
如小鼠ES细胞和人EG细胞形成的细胞集落一般呈紧密的球形，它不易被常规消化方法分散成单细胞；而人及某些灵长类动物的ES细胞形成的细胞集落相对较为扁平、松散，很容易被胰蛋白酶消化成单细胞。
ES、EG细胞的柒色体正常，具有稳定的二倍体核型。
在未分化的ES细胞中没有雌性动物体细胞中的x染色体失活现象。