新鮮な脳組織は、2つの異なる色を示す。灰白質は主に神経細胞体、樹状突起、無髄軸索、およびそれらの間のシナプスから構成される。灰白質は外側の皮質層を形成するほか、深部核や脊髄の中心部にも存在する。

シナプスが集中しているため、灰白質は神経計算の主要な部位である。皮質灰白質は、細胞の種類と結合様式が異なる層に組織化されている。灰白質の厚さと構造は生涯を通じて変化し、多くの神経疾患や精神疾患で変化する。現代の画像診断技術は、生きた人間におけるこれらの変化を定量化する。

一方、白質には、遠く離れた灰白質領域を結ぶ長距離の有髄軸索が含まれている。どちらの領域も不可欠であるが、局所的な情報処理と可塑性の大部分は灰白質で起こる。細胞体を染色する組織学的染色法は、灰白質の構造をマッピングするために1世紀以上にわたって使用されてきた。

灰白質の体積減少は、加齢や疾患における認知機能の低下と相関関係にあることが多い。