Nyskåret hjernevev avslører to distinkte farger. Den grå substansen består hovedsakelig av nervecellelegemer, dendritter, umyeliniserte aksoner og synapsene mellom dem. Den danner det ytre kortikale laget og finnes også i dype kjerner og i den sentrale kjernen av ryggmargen.

Fordi synapser er konsentrert her, er grå materie det primære stedet for nevral beregning. Kortikal grå materie er organisert i lag som varierer i celletyper og forbindelser. Tykkelsen og integriteten til grå materie endrer seg gjennom levetiden og endres i mange nevrologiske og psykiatriske tilstander. Moderne bildebehandling kvantifiserer disse endringene hos levende mennesker.

I motsetning til dette inneholder hvit substans de langtrekkende myeliniserte axonene som forbinder fjerne gråstoffområder. Begge deler er essensielle, men det er i den grå substansen som mest lokal prosessering og plastisitet skjer. Histologiske fargestoffer som fremhever cellelegemer har blitt brukt i over et århundre for å kartlegge gråstoffarkitekturen.

Tap av grå substansvolum korrelerer ofte med kognitiv nedgang i aldring og sykdom.