Țesutul cerebral proaspăt prelevat dezvăluie două culori distincte. Substanța cenușie este formată în principal din corpuri celulare neuronale, dendrite, axoni nemielinizați și sinapsele dintre aceștia. Formează foaia corticală externă și apare și în nucleii profunzi și în miezul central al măduvei spinării.

Deoarece sinapsele sunt concentrate aici, materia cenușie este principalul loc al calculului neuronal. Materia cenușie corticală este organizată în straturi care diferă în funcție de tipurile de celule și conexiuni. Grosimea și integritatea materiei cenușii se schimbă de-a lungul vieții și sunt alterate în multe afecțiuni neurologice și psihiatrice; imagistica modernă cuantifică aceste schimbări la oamenii vii.

În schimb, substanța albă conține axonii mielinizați cu rază lungă de acțiune care leagă regiunile îndepărtate ale substanței cenușii. Ambele compartimente sunt esențiale, însă substanța cenușie este locul unde are loc cea mai mare parte a procesării locale și a plasticității. Colorațiile histologice care evidențiază corpurile celulare au fost utilizate timp de mai bine de un secol pentru a cartografia arhitectura substanței cenușii.

Pierderea volumului de materie cenușie se corelează adesea cu declinul cognitiv în timpul îmbătrânirii și al bolilor.