Las células madre pueden clasificarse atendiendo a su origen, de acuerdo a estudios realizados por la NIH, en: células madre adultas (CMA) y células madre embrionarias (CME). Las CMA o multipotenciales, también son conocidas como órgano-específicas, ya que generan los tipos celulares del mismo tejido.

Las células madre también pueden clasificarse por su potencia. A continuación las mencionamos:

Las células madre totipotentes

Pueden crecer y formar un organismo completo, tanto los componentes embrionarios. Por ejemplo, las tres capas embrionarias, el linaje germinal y los tejidos que darán lugar al saco vitelino, como los extraembrionarios (como la placenta).

Es decir, pueden formar todos los tipos celulares.​ La célula madre totipotente por excelencia es el cigoto, formado cuando un óvulo es fecundado por un espermatozoide.

Las células madre pluripotentes

No pueden formar un organismo completo, pero sí cualquier otro tipo de célula correspondiente a los tres linajes embrionarios (endodermo, ectodermo y mesodermo).

Pueden, por lo tanto, formar linajes celulares. Se encuentran en distintas etapas del desarrollo embrionario.

Las células embrionarias multipotentes

Son células madre embrionarias pluripotentes que se derivan de los esbozos gonadales del embrión.

Estos esbozos gonadales se encuentran en una zona específica del embrión denominada cresta gonadal, que dará lugar a las gónadas, ovario o testículo, y a los óvulos y espermatozoides respectivamente.

Tienen una capacidad de diferenciación similar a las de las células madre embrionarias, pero su aislamiento resulta más difícil.

Células madre pluripotentes inducidas (iPS)

Hoy se pueden manipular células humanas de adulto y generar células con pluripotencialidad inducida (iPS), se ha visto que poseen el mismo potencial de crecimiento y diferenciación de las células madre embrionarias, e irán sustituyendo o ampliando con creces las posibilidades biotecnológicas soñadas para las embrionarias.

Las células madre multipotentes

Son aquellas que solo pueden generar células de su misma capa o linaje de origen embrionario (por ejemplo: una célula madre mesenquimal de médula ósea, al tener naturaleza mesodérmica, dará origen a células de esa capa como miocitos, adipocitos u osteocitos, entre otras).

Otro ejemplo son las células madre hematopoyéticas —células madre de la sangre que pueden diferenciarse en los múltiples tipos celulares de la sangre.

Las células madre unipotentes

También llamadas células progenitoras son células madre que tiene la capacidad de diferenciarse en solo un tipo de células.​

Por ejemplo las células madre musculares, también denominadas células satélite sólo pueden diferenciarse en células musculares.

Además de por el criterio de potencia, las células madre también pueden clasificarse en cuanto a si se encuentran en el embrión o en tejidos adultos.

Las células madre oligopotentes

Estas solo pueden diferenciarse en pocos tipos de células, como las células madre linfoides o mieloides.