El tejido cerebral recién cortado revela dos colores distintos. La sustancia gris se compone principalmente de cuerpos neuronales, dendritas, axones amielínicos y las sinapsis entre ellos. Forma la corteza cerebral externa y también se encuentra en los núcleos profundos y en el núcleo central de la médula espinal.

Debido a la concentración de sinapsis en esta área, la materia gris es el principal centro de procesamiento neuronal. La materia gris cortical se organiza en capas que difieren en tipos celulares y conexiones. El grosor y la integridad de la materia gris varían a lo largo de la vida y se ven alterados en diversas afecciones neurológicas y psiquiátricas; las técnicas de imagen modernas cuantifican estos cambios en personas vivas.

En cambio, la sustancia blanca contiene los axones mielinizados de largo alcance que conectan regiones distantes de la sustancia gris. Ambos compartimentos son esenciales, pero es en la sustancia gris donde se produce la mayor parte del procesamiento local y la plasticidad. Las tinciones histológicas que resaltan los cuerpos celulares se han utilizado durante más de un siglo para cartografiar la arquitectura de la sustancia gris.

La pérdida de volumen de materia gris suele estar correlacionada con el deterioro cognitivo en el envejecimiento y en las enfermedades.