ES細胞具有與早期胚胎細胞相似的形態結構，細胞核大，有一個或幾個核仁，胞核中多為常染色質，胞質胞漿少，結構簡單。體外培養時，細胞排列緊密，呈集落狀生長。用堿性磷酸酶染色，ES細胞呈棕紅色，而周圍的成纖維細胞呈淡黃色。
細胞克隆和周圍存在明顯界限，形成的克隆細胞彼此界限不清，細胞表面有折光較強的脂狀小滴。
細胞克隆形態多樣，多數呈島狀或巢狀。小鼠ES細胞的直徑7 微米～18 微米，豬、牛、羊ES細胞的顏色較深，直徑12 微米～18 微米。
