胚層分化是指在動物胚胎髮育過程中，原始的外、中、內三個胚層如何向不同的組織結構發育和分化的過程。
這個分化過程是遺傳性、環境、營養、激素以及細胞羣之間相互誘導等多種因素共同作用的結果。三個胚層在分化過程中相互依存和相互作用，最終形成胚胎中的各種原始器官。以下是三個胚層的分化情況：
外胚層。分化形成了皮膚表皮部分及其衍生物、神經系統、感覺器官、消化道的兩端內表的上皮及其附屬腺體。
中胚層。分化形成了真皮層、肌肉系統、骨骼系統、循環系統、生殖系統、排泄系統的大部分、體腔上皮、腸繫膜及各類結締組織。
內胚層。分化形成了消化管中段內表、呼吸道內表的上皮、肝、胰、膽囊、甲狀腺以及胸腺、膀胱的大部分和尿道及其附屬腺的上皮。
胚層分化的具體過程包括外胚層在脊索的誘導下形成神經板，進而發展成腦和脊髓；中胚層分化爲真皮、肌肉、骨骼等；內胚層形成原始消化管，進一步分化爲消化管、消化腺及下呼吸道和肺上皮等。這些分化過程往往是不可逆的，且涉及結構和功能的特化。