Tế bào máu là một trong những tế bào có khoảng thời gian sống ngắn nhất trong tất cả các loại tế bào của cơ thể (ví dụ tế bào hồng cầu không nhân chỉ sống được khoảng 120 ngày), cho nên cuộc sống của động vật phụ thuộc vào khả năng bổ sung liên tục những tế bào hồng cầu và những tế bào máu khác của cơ thể. Quá trình bổ sung này xảy ra chủ yếu ở tủy xương nơi mà những HSC cư trú, phân chia và biệt hóa thành những loại tế bào máu. Những HSC có khả năng tự làm mới và tạo ra tất cả các loại tế bào máu của cơ thể. Điều này có nghĩa là một HSC đơn có khả năng tái sinh ra một hệ tế bào tạo máu hoàn chỉnh. Hơn nữa, chúng còn có khả năng tái sinh lại hệ thống mô tạo máu của động vật. Cơ sở của kết luận này là một thử nghiệm trên đối tượng chuột nhắt. Những con chuột này nhận liều phóng xạ gây tử vong để phá hủy hoàn toàn hệ thống mô tạo máu của bản thân chúng. Sau đó, những HSC được cấy ghép vào tủy xương của chúng và hệ thống mô tạo máu của chúng được tái sinh trở lại.
Cả vòng đời của HSC lẫn vòng đời của các loại tế bào máu đều bắt đầu từ tủy xương đến máu và quay trở lại tủy xương dưới ảnh hưởng của một loạt những yếu tố được tiết ra để điều hòa sự tăng sinh, biệt hóa và di trú của chúng.
Những HSC được chứng minh là những tế bào mầm tạo máu lần đầu tiên trong một loạt thí nghiệm ở chuột và những tế bào mầm tạo máu tương tự cũng được chứng minh là có hiện diện ở người.
Có hai loại HSC là HSC dài hạn (long-term HSC) và HSC ngắn hạn (short-term HSC). Những HSC dài hạn tăng sinh trong suốt đời sống của sinh
vật. Ở con chuột nhắt còn non thì có khoảng từ 8-10% lượng HSC dài hạn bước vào chu trình tế bào và phân chia mỗi ngày. Những HSC ngắn hạn thì chỉ tăng sinh trong một khoảng thời gian giới hạn có thể là vài tháng. Những HSC dài hạn có hoạt động telomerase (telomerase là một enzyme giúp duy trì độ dài của đầu nhiễm sắc thể, mà chúng ta gọi là telomere, bằng cách thêm vào những nucleotide) ở mức cao. Telomerase hoạt động là một đặc tính của những tế bào chưa biệt hóa, những tế bào đang phân chia và những tế bào ung thư. Ở chuột nhắt, có khoảng 1 trong 10.000 hay 1 trong 15.000 tế bào của tủy xương là những HSC dài hạn. Những HSC ngắn hạn biệt hóa thành nguyên bào bạch cầu và nguyên bào tủy, hai loại nguyên bào chính của những dòng tế bào máu. Nguyên bào bạch cầu biệt hóa thành những dòng tế bào lympho T, những tế bào lympho B và tế bào tìm diệt tự nhiên (NK-Natural killer cell). Những cơ chế và con đường dẫn đến sự biệt hóa của chúng vẫn còn đang được nghiên cứu. Nguyên bào tuỷ biệt hóa thành bạch cầu đơn nhân và đại thực bào, bạch cầu ưa axit, bạch cầu ưa bazơ, tế bào có nhân khổng lồ cũng như hồng cầu. Một nghiên cứu gần đây cho thấy những HSC ngắn hạn là một quần thể tế bào không đồng nhất và khác nhau đáng kể trong khái niệm về khả năng tự làm mới và tái phục hồi quần thể của hệ thống mô tạo máu.
Trong điều kiện invivo, có nhiều yếu tố điều hòa sự biệt hóa của những HSC trong tủy xương, đó là những cytokine. Những cytokine này được tạo ra bởi nhiều loại tế bào khác nhau và sau đó được tập trung về tủy xương nhờ chất nền ngoại bào của những tế bào nền, nơi những tế bào máu được tạo thành. Cho đến nay, hai cytokine được nghiên cứu nhiều nhất là yếu tố kích hoạt tạo quần thể bạch cầu hạt và đại thực bào (GM-CSF-Granulocyte- macrophage colony-stimulating factor) và interleukin-3 (IL-3). Những mối quan hệ giữa các tế bào với những phân tử đính vào chất nền ngoại bào của
tủy xương cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tăng sinh và biệt hóa mầm tạo máu của tủy xương.