Diferenciacija matičnih celic je proces, pri katerem se nespecializirana matična celica razvije v določeno vrsto tkiva, kot je zrela rdeča krvna celica. To se dogaja v vseh življenjskih obdobjih, od zelo zgodnjega razvoja zarodka do odraslosti, saj telo potrebuje stalno oskrbo z novimi specializiranimi celicami za delovanje. V celično diferenciacijo je vključenih več dejavnikov, vključno z okoljskimi in biološkimi sprožilci za različne vrste celic.
Število različnih vrst celic, v katere lahko matična celica dozori, se odraža v njeni moči. Totipotentna celica se lahko ob zrelosti razvije v katero koli vrsto celice. Takšne celice najdemo v zgodnjih fazah blastocistnega razvoja zarodka, ko mora biti vsaka celica sposobna ustvariti različne celice, da se zarodek razvije. Ko embrionalni razvoj napreduje, postanejo matične celice pluripotentne narave, z zmožnostjo razhajanja v različne vrste celic, vendar ne v vse.
Multipotentne matične celice se lahko diferencirajo v več sorodnih tipov celic. Na primer, hematopoetske celice, ki povzročajo različne vrste krvnih celic, se lahko podvržejo diferenciaciji matičnih celic, da se spremenijo v bele ali rdeče krvne celice. Vendar se ne morejo spremeniti v želodčno sluznico ali nevrone. Multipotentne celice te narave se običajno nahajajo v odraslih organizmih, da oskrbujejo stalno sveže celice, da nadomestijo obrabljene in poškodovane starejše celice.
Pri diferenciaciji matičnih celic matična celica prejme signal za začetek zorenja. Celica lahko preide skozi več življenjskih stopenj, preden postane zrela celica. Na kateri koli stopnji lahko pride do napake in celica se lahko pokvari ali pa se pojavijo druge težave. Imunski sistem ostaja pozoren na takšne celice, tako da lahko posreduje, da jih uniči in reciklira njihove komponente, preden se dobijo priložnost, da se v celoti razvijejo in povzročijo težave. Telo med drugim nenehno potrebuje nove krvne in kožne celice in se za to potrebo zanaša na diferenciacijo matičnih celic.
Znanstveni raziskovalci imajo posebno zanimanje za diferenciacijo embrionalnih matičnih celic zaradi njihovih totipotentnih in pluripotentnih lastnosti. Preučujejo embrionalni razvoj, da bi izvedeli več o tem, kako celice zorijo in vrstni red, v katerem se pojavljajo različne strukture, ko se zarodek razvija. To lahko zagotovi pomembne informacije o prirojenih napakah, pa tudi o biološki zgodovini organizma. Številni organizmi kažejo vzporedni embrionalni razvoj do določene stopnje, ko začnejo izgledati radikalno drugače, tako kot popolnoma zreli osebki različnih vrst. Te podobnosti v razvoju lahko namigujejo na evolucijsko zgodovino različnih organizmov.