Vers gesneden hersenweefsel vertoont twee verschillende kleuren. De grijze stof bestaat hoofdzakelijk uit neuronale cellichamen, dendrieten, ongemyeliniseerde axonen en de synapsen daartussen. Het vormt de buitenste schil van de hersenschors en komt ook voor in diepe kernen en in de centrale kern van het ruggenmerg.

Omdat synapsen hier geconcentreerd zijn, is grijze stof de primaire locatie voor neurale berekeningen. Corticale grijze stof is georganiseerd in lagen die verschillen in celtypen en verbindingen. De dikte en integriteit van de grijze stof veranderen gedurende het leven en zijn aangetast bij veel neurologische en psychiatrische aandoeningen; moderne beeldvormingstechnieken kwantificeren deze veranderingen bij levende mensen.

Daarentegen bevat de witte stof de lange gemyeliniseerde axonen die de verder gelegen grijze-stofgebieden met elkaar verbinden. Beide compartimenten zijn essentieel, maar in de grijze stof vindt de meeste lokale verwerking en plasticiteit plaats. Histologische kleuringen die celkernen zichtbaar maken, worden al meer dan een eeuw gebruikt om de architectuur van de grijze stof in kaart te brengen.

Verlies van grijze stofvolume hangt vaak samen met cognitieve achteruitgang bij veroudering en ziekte.