幹細胞的特性包括一、能自我更新，二、能自我調節數量，三、能分化成不同世系的細胞或形成特定的組織。其中以取自於囊胚（blastocyst）之內層細胞團（inner cell mass）的胚胎幹細胞具有最完全的分化能力；而在成人的骨髓、血液系統、神經系統、腸胃道、肝臟和間葉組織中被發現的幹細胞，雖然它們的分化能力較為有限，但其對於組織的更新、替換及損傷時的修復至為重要。

癌症形成的主因是細胞內多種基因發生了突變，導致其不正常的快速增殖。雖然早在四十多年前，科學家就發現在癌組織中，只有極少部分的細胞能持續在體內及體外增殖；但直到一九九四年，才由加拿大多倫多大學的研究人員自人類急性骨髓性白血病（AML）患者組織中，分離出移植到免疫缺乏的SCID小鼠體內能產生類似AML症狀的白血病起始細胞（leukemia-initiating cells）；證實AML的確是由一群功能不同的細胞所組成，而其中只有極少數具有幹細胞的特性。之後，科學家陸續從乳癌、神經膠細胞瘤、肺癌、肝癌、口腔癌、卵巢癌、前列腺癌以及大腸直腸癌等固態腫瘤中分離出具有幹細胞特性的癌症起始細胞。

目前分離癌症幹細胞的方法包括一、利用流式細胞儀來分離經rhodamine 123或Hoechest 33342等螢光染料處理後，缺乏或微弱螢光訊號被稱作「邊緣族群（side-population）」的幹細胞；其原理是因幹細胞內之MDR1、ABCG2等ABC運輸蛋白的表現量遠高於一般細胞，故容易將攝入的疏水性螢光染劑排出。二、將固態腫瘤細胞培養在不含血清但含有如EGF和bFGF等生長因子的培養基，由形成之球狀細胞群落中純化出具有能在此種培養基內，從單一細胞增殖成球狀群落的癌症幹細胞。三、利用存在於幹細胞表面的特殊分子，例如CD133，它不但存在於造血、胚胎、神經等幹細胞及內皮細胞之前驅細胞的表面，同時也存在於由腦瘤、非小細胞肺癌、前列腺癌、胃癌及大腸直腸癌分離出之癌症幹細胞的細胞膜上；又如介白素三受器之次單元（IL-3R -chain）與CD33為AML幹細胞表面的特異抗原；而CD44陽性與CD24陰性則為乳癌幹細胞的表面特徵；因此可以利用能和這些分子產生專一性結合的抗體以流式細胞儀或是免疫磁珠來進行純化。

一般而言，自人體純化出來的癌症幹細胞，在免疫缺乏的小鼠體內有極佳的致癌力；但在體外要維持它們的原始性，則必須將它培養在不含血清但含有生長因子的環境，不然該細胞會迅速分化並喪失致癌力;以大腸直腸癌之異種移植為例，在SCID小鼠身上只需移植五百個人類的癌症幹細胞即可引發腫瘤，但若移植一般癌細胞，則即使超過百萬個，也不會有腫瘤產生。癌症幹細胞的另一特徵為其生長速率遠低於較成熟的癌細胞，甚至可能處於停止分裂的狀態；此外癌症幹細胞之ABC運輸蛋白的表現量遠高於一般癌細胞，容易將多種抗癌藥物排出;因此它們對於化療、放療、甚至於免疫治療都有極高之抵抗力。癌症幹細胞的存在不但提供了腫瘤在治療後復發的最佳答案，同時也解釋了為何復發的腫瘤多具有抗藥性。
為了開發更好的診斷及治療癌症的方法，當務之急就是去深入了解癌症幹細胞的特性，以找出其與一般癌細胞及正常幹細胞的差別，並利用這些特性去發展殲滅癌症幹細胞的策略。例如有科學家針對前述AML幹細胞膜上特異的IL-3R -chain與CD33分子設計了高選擇性毒殺該細胞的藥物；此外，由於NF-κB與PI3激?（kinase）之訊息傳遞在AML幹細胞內有異常活化的現象，因此有研究人員利用現有的NF-κB與PI3激?抑制劑去壓制該細胞的生長；科學家也發現抑制PI3下游的mTOR能增加etoposide之毒殺AML幹細胞的效果；而上述的策略似乎不會影響正常幹細胞的生長與存活，顯示專一性的殲滅癌症幹細胞並非遙不可及之事。但由於成功自多種組織分離純化出癌症幹細胞是最近一兩年的事，未來仍有待大家的努力，才有機會發展出治癒癌症的方法。