O tecido cerebral recém-cortado revela duas cores distintas. A substância cinzenta consiste principalmente em corpos celulares neuronais, dendritos, axónios não mielinizados e sinapses entre eles. Forma a camada cortical externa e aparece também em núcleos profundos e no núcleo central da medula espinal.

Como as sinapses estão concentradas nesta região, a substância cinzenta é o principal local de processamento neural. A substância cinzenta cortical está organizada em camadas que diferem nos tipos celulares e nas ligações. A espessura e a integridade da substância cinzenta variam ao longo da vida e estão alteradas em muitas condições neurológicas e psiquiátricas; os exames de imagem modernos quantificam estas alterações em pessoas vivas.

Em contraste, a substância branca contém os axónios mielinizados de longo alcance que ligam regiões distantes da substância cinzenta. Ambos os compartimentos são essenciais, mas é na substância cinzenta que ocorre a maior parte do processamento local e da plasticidade. As colorações histológicas que destacam os corpos celulares têm sido utilizadas há mais de um século para mapear a arquitetura da substância cinzenta.

A perda de volume de massa cinzenta correlaciona-se frequentemente com o declínio cognitivo no envelhecimento e nas doenças.