Dès la 5e semaine (stade 14), deux évaginations latérales, les vésicules télencéphaliques, se développement au niveau du prosencéphale (futurs hémisphères cérébraux). Le diencéphale, en revanche, se développe à partir de la partie caudale du prosencéphale. Il reste unique (impair) et constitue la zone de transition entre le télencéphale et le mésencéphale. Les cavités télencéphaliques communiquent avec la cavité diencéphalique par le biais des foramens interventriculaires (anciennement trous de Monro). En raison de la croissance massive des vésicules télencéphaliques, le diencéphale sera complètement ceint par ces dernières à la fin de la période embryonnaire. A ce stade les vésicules s'accolent au diencéphale pour former une unité anatomique.

Le diencéphale est limité rostralement par un plan passant par le chiasma optique et le foramen interventriculaire (lamina terminalis) et caudalement par un plan passant en arrière de l'épiphyse et des corps mamillaires.

Les parois latérales du diencéphale vont subir une évolution particulière. La plaque du toit, les lames alaires et le plancher du diencéphale y participent. Comme mentionné ci-dessus, les lames fondamentales sont absentes ou très fines car elles se sont arrêtées au niveau du 3e ventricule où s'arrête le sillon limitant (selon certains auteurs celui-ci s'étendrait d'avantage vers la région rostrale). Les parois latérales sont parcourues par le sillon longitudinal sous thalamique.