Als graue Substanz (lat. Substantia grisea) bezeichnet man die Gebiete des Zentralnervensystems, die vorwiegend aus Nervenzellkörpern bestehen. Die Nervenfasern bilden dagegen in ihrer Gesamtheit die weiße Substanz.

Umgangssprachlich und falsche Assoziationen weckend spricht man häufig von den „grauen Zellen“.

Die graue Substanz liegt im Rückenmark zentral und bildet ein schmetterlingsähnliches Gebilde mit einem Vorder- und Hinterhorn. Im Bereich der Brust- und Lendenabschnittes kann man auch noch ein Intermediärhorn unterscheiden, in dem die Wurzelzellen des Sympathikus liegen.

Im Gehirn liegt die graue Substanz zum überwiegenden Teil dagegen der weißen Substanz außen an. Diese Bereiche bezeichnet man als Rinde (Cortex). Einen Cortex besitzen das Großhirn (Cortex cerebri) und das Kleinhirn (Cerebellum). In den übrigen Gehirnabschnitten ist graue Substanz in die weiße Substanz eingebettet. Diese Gebiete bezeichnet man als Kerne oder Kerngebiete (Nuclei). Die Bezeichnung „grau“ kommt daher, dass diese Bereiche im Formalin fixierten Präparat eine graue Farbe haben. Im lebenden Gewebe ist die graue Substanz eher rosa.