La célula madre es una célula que tiene capacidad de autorrenovarse mediante divisiones o bien de continuar la vía de diferenciación para la que está programada y, por lo tanto, producir uno o más tejidos maduros, funcionales y plenamente diferenciados en función de su grado de multipotencialidad.

La mayoría de tejidos de un individuo adulto poseen una población específica propia de células madre que permiten su renovación periódica o su regeneración cuando se produce algún daño tisular.
Algunas células madre adultas son capaces de diferenciarse en más de un tipo celular como las células madre mesenquimales y las células madre hematopoyéticas, mientras que otras se cree que son precursoras directas de las células del tejido en el que se encuentran, como las células madre de la piel o las células madre gonadales (células madre germinales).

Es común que en documentos especializados se las denomine stem cells, en inglés, donde stem significa tronco, traduciéndolo lo más a menudo como «células troncales».

Las células madre embrionarias son aquellas que forman parte de la masa celular interna de un embrión de 4-5 días de edad y que tienen la capacidad de formar todos los tipos celulares de un organismo adulto.
Una característica fundamental de las células madre embrionarias es que pueden mantenerse (en el cuerpo o en una placa de cultivo) de forma indefinida. Puesto que al dividirse siempre forman una célula idéntica a ellas mismas, siempre se mantiene una población estable de células madre.

Novedosos estudios han derivado en la obtención de células madre sin que esto implique la destrucción del embrión.