Tijekom prenatalnog razdoblja, ljudski embriji prelaze iz nekoliko stanica u potpuno formiranu bebu za oko 38 tjedana. Ljudski mozak ima vlastitu vremensku liniju rasta tijekom tog razdoblja i obično je dosljedna za zdrave ljudske fetuse. Glavne faze prenatalnog razvoja mozga javljaju se tijekom devet mjeseci trudnoće, uključujući stvaranje neuralne cijevi u prvom mjesecu, rast moždane kore u drugom mjesecu, razvoj osjetila u četvrtom mjesecu i odvajanje korteksa u režnjeve u šestom mjesecu.
Znanstvenici su uspjeli doći do vremenskog okvira za normalan prenatalni razvoj mozga zahvaljujući nekoliko načina istraživanja. To uključuje postmortem istraživanja ne-preživjelih embrija i fetusa u različitim fazama fetalnog razvoja. Liječnici su također izvodili eksperimente i seciranja na fetusima životinja koje imaju slične strukture mozga kao i ljudi, poput majmuna. Konačno, moderne tehnologije poput snimanja omogućuju znanstvenicima da ispituju i prate prenatalni razvoj mozga kod fetusa dok su još u utrobi svoje majke. Kroz sve ove metode, stručnjaci su zacrtali fizički razvoj mozga, kao i emocionalni i mentalni razvoj.
Prenatalni razvoj mozga počinje u prvom mjesecu prenatalnog razdoblja. Za to vrijeme se formiraju svi ostali glavni organi. Do trećeg tjedna života ljudsko srce je počelo kucati. Otprilike u to vrijeme nastaje najraniji oblik mozga. Nazvana neuralna cijev, ova struktura na kraju evoluira u leđnu moždinu i mozak.
U drugom i trećem mjesecu razvoja, crte lica embrija počinju se razvijati u ljudskiji oblik, uključujući usta, nos, oči, kapke i uši. Neuralna cijev se u ovom trenutku počinje transformirati u ono što će postati glavni dijelovi mozga, uključujući moždanu koru. Sukladno tome, do trećeg mjeseca prenatalnog razvoja, embrij počinje pokazivati reakcije i reflekse. Fetusove reakcije na vanjska iskustva, poput jakog svjetla i zvukova, nastavljaju se razvijati u četvrtom mjesecu, kao i sposobnost malenog bića da pravi izraze lica.
U petom mjesecu prenatalnog razvoja mozga počinje vidjeti kako fetus zapravo kontrolira ove izraze i reakcije. U ovom trenutku, fizički razvoj je takav da se fetus može rastegnuti, pa čak i prevrnuti u maternici. Stručnjaci vjeruju da sposobnost svjesnog reagiranja na senzacije postaje još jača tijekom šestog mjeseca, kada se cerebralni korteks dijeli na zasebne režnjeve. Fetus u ovom trenutku možda čak ima sposobnost pamćenja.
Završne faze prenatalnog razvoja mozga u posljednjem tromjesečju dovode do mozga koji postaje gotovo sličan potpuno formiranom ljudskom, barem u strukturi. Do sedmog mjeseca, prenatalni mozak razvija užljebljen, zakrivljen izgled koji je povezan s mozgom odrasle osobe, a mijelin se razvija na vanjskoj strani živaca iz mozga kako bi ih izolirao. Moždani valovi se mogu detektirati. Zatim se u osmom mjesecu formiraju glavni korteksi, kao što su slušni i vizualni, omogućujući fetusu da shvati ono što vidi i čuje. Fetalni mozak sadrži otprilike onoliko neuronskih stanica koliko i mozak odrasle osobe do posljednjeg mjeseca, iako će biti samo jedna četvrtina veličine odraslog pri rođenju.