Hệ tim mạch là cơ quan đầu tiên hoạt động chức năng trong phôi người, bắt đầu phát triển từ tuần lễ thứ ba sau thụ tinh. Nguồn gốc của hệ tim mạch xuất phát chủ yếu từ trung bì lá tạng và trung mô vùng mào thần kinh. Quá trình hình thành bắt đầu khi các tế bào trung bì vùng trước nguyên thủy di cư tạo thành hai dải tạo mạch ở hai bên phôi, sau đó phát triển thành hai ống nội mô tạo mạch riêng biệt. Dưới ảnh hưởng của các tín hiệu từ nội bì, hai ống tim này tiến dần lại gần nhau và hợp nhất tại đường giữa để tạo thành ống tim nguyên thủy vào khoảng ngày thứ 21 - 22. Ống tim nguyên thủy sau khi hình thành sẽ phân đoạn thành các phần: hành tim, tâm thất nguyên thủy, tâm nhĩ nguyên thủy và xoang tĩnh mạch. Các đoạn này sau đó sẽ biệt hóa thành các phần tương ứng của tim trưởng thành: hành tim phát triển thành phần lớn tâm thất phải và một phần thân động mạch chủ và động mạch phổi; tâm thất nguyên thủy thành tâm thất trái; tâm nhĩ nguyên thủy tách thành tâm nhĩ trái và phải; xoang tĩnh mạch góp phần tạo nên xoang tĩnh mạch và một phần tâm nhĩ phải. Quá trình gấp khúc của ống tim xảy ra vào khoảng ngày thứ 23 - 28, giúp tim chuyển từ cấu trúc thẳng sang dạng chữ S để hình thành cấu trúc ba chiều đặc trưng. Cùng lúc đó, các vách ngăn tim bắt đầu hình thành, bao gồm vách liên nhĩ, vách liên thất và vách ngăn thân - nón (chia động mạch chủ và động mạch phổi). Sự hình thành vách tim là một quá trình phức tạp, có sự tham gia của các gối nội mạc và mào động mạch có nguồn gốc từ mào thần kinh. Song song với sự phát triển của tim, hệ mạch máu cũng hình thành thông qua hai quá trình chính: tạo mạch nguyên pháttừ các tế bào trung mô biệt hóa thành tế bào nội mô, và tạo mạch thứ phát từ sự chồi ra của các mạch máu đã có sẵn. Ba cặp cung động mạch chủ (động mạch cung mang) và các tĩnh mạch chính (tĩnh mạch noãn hoàng, tĩnh mạch rốn và tĩnh mạch chung) hình thành và tái tổ chức để tạo nên hệ mạch trưởng thành. Tóm lại, sự phát triển của hệ tim mạch là một quá trình tinh vi, bắt đầu rất sớm trong đời sống phôi thai và có vai trò sống còn đối với sự phát triển toàn thân của phôi. Các bất thường trong các giai đoạn như gấp tim, phân vách hoặc hình thành mạch đều có thể dẫn đến các dị tật tim bẩm sinh nghiêm trọng.