Układ nerwowy zasadniczo dzieli się na dwie części - ośrodkowy układ nerwowy (centralny) i obwodowy układ nerwowy. Do centralnego układu nerwowego zalicza się mózg i rdzeń kręgowy. Mózg składa się z 5 części - kresomózgowia, międzymózgowia (wzgórze i podwzgórze), śródmózgowia, móżdżku i rdzenia przedłużonego. Obie półkule mózgu łączone są za pomocą mostu. Z kolei obwodowy układ nerwowy składa się zasadniczo z trzech elementów: nerwów, zwoi nerwowych oraz splotów nerwowych. Nerwy można podzielić na nerwy czaszkowe (12) i nerwy rdzeniowe (31 par). Zwoje nerwowe są zgrubieniami w obrębie nerwów, zawierającymi ciała neuronów leżących poza ośrodkowym układem nerwowym. Pełnia one funkcję koordynacyjną w łukach odruchowych. Natomiast sploty nerwowe są połączeniem nerwów, w których część włókienek przechodzi z jednego nerwu do drugiego. Odpowiedzialne są one za zapewnienie zróżnicowania unerwienia mięśni i narządów.

Droga od receptowa do efektora nazywa się łukiem odruchowym. Impuls od receptora biegnie poprzez drogę czuciową (droga nerwowa dośrodkowa) do ośrodka nerwowego, a następnie do efektora za pomocą drogi ruchowej (droga nerwowa odśrodkowa). Receptor może być pobudzany mechanicznie, chemicznie lub w inny sposób. W łuku nerwowym biorą więc udział co najmniej dwa neurony. Jeśli nie ma elementów pośredniczących, mówimy o monosynaptycznym łuku odruchowym, a jeśli są takie elementy, to o polisynaptycznym łuku odruchowym.

Odruch jest prostą reakcją adekwatną do bodźca, niekontrolowaną (mimowolną). Najprostsze odruchy są z udziałem rdzenia kręgowego (należy do nich między innymi odruch kolanowy).

Odruchy dzielimy na bezwarunkowe (wrodzone) i warunkowe (nabyte). Odruchy bezwarunkowe są uwarunkowane genetycznie, nie mamy na nie wpływu i nie podlegają zmianom w czasie życia. Są niekontrolowane, zachodzą poza świadomością człowieka. Jest to pierwsza, najszybsza reakcja na bodziec, ma więc to bardzo istotne znaczenie obronne. Do odruchów bezwarunkowych zaliczamy odruch wykrztuśny, kaszel, wymioty, odruch źreniczny, kolanowy, odruch zaskoczenia (napięcie mięśni, mruganie, otwarcie ust). Są one także podstawą instynktów, np. instynktu macierzyńskiego.

Z kolei odruchy warunkowe wykształcają się w trakcie życia osobniczego i podlegają ciągłym modyfikacjom. Podstawą takie odruchów jest trening. Wykształca się wówczas połączenie nerwowe reagujące na dane zjawisko. Aby to połączenie nie zanikło, konieczne jest tzw. wzmacnianie. W ten sposób bodziec pierwotnie obojętny zostaje przekształcony w bodziec wywołujący reakcję.

Kluczowym doświadczeniem nad odruchami warunkowymi było doświadczenie z psami Pawłowa. Iwan Pawłow badał bezwarunkowe odruchy ślinowe u psów (wydzielanie śliny pod wpływem pokarmu, który drażni mechanoreceptory i chemoreceptory). Tuż przed podaniem pokarmu Pawłow stosował bodziec pierwotnie obojętny (światło, dzwonek, ale zawsze jeden i ten sam). Po pewnym czasie zauważył, że już samo światło (czy dzwonek) wystarczą, żeby pies zaczął wydzielać ślinę. Pawłow twierdził, że jednoczesne zastosowanie bodźca bezwarunkowego i bodźca obojętnego prowadzi do połączenia w mózgu ognisk tych dwóch bodźców. Po pewnym czasie bodziec pierwotnie obojętny zaczyna wywoływać taką samą reakcję jak bodziec bezwarunkowy. Nie jest to jednak trwałe połączenie, dlatego wymaga wzmocnienia.

Z kolei Edward Thorndike opracował tzw. prawo efektu, które jest jednym z podstawowych praw współczesnego behawioryzmu. Thorndike badał możliwość wykształcenia nowych reakcji pod wpływem nagród (stanów motywacyjnych, popędowych). Zwierzę będące w stanie zmotywowanym jest w stanie nauczyć się reakcji ruchowej albo złożonego zachowania, czyli po prostu wykształcić odruch warunkowy typu instrumentalnego, np. komenda głosowa - podanie łapy przez psa. Zaraz po tym musi nastąpić wzmocnienie, aby reakcja została zachowana, a więc np. podanie ciasteczka czy kawałka mięsa. Takie uczenie się wymaga ciągłego treningu, bowiem brać ćwiczeń skutkuje osłabieniem i w efekcie zanikiem odruchu. Jeśli chodzi o stronę neuronalną, to uczenie się przebiega w dwóch etapach. W pierwszym etapie wykształca się wieloneuronalne połączenie zwrotnego pobudzenia. W miarę treningu i wzmacniania połączenia wieloneuronalne ulegają modyfikacją pod wpływem bodźców biochemicznych, w wyniku czego tworzy się stabilne połączenie (konsolidacja).

W korze mózgowej zlokalizowane są ośrodki nerwowe. W przedniej części płata ciemieniowego zlokalizowane są ośrodki czuciowe (dotyk, smak, ból, zmiany temperatury). W tylnej części płata czołowego zlokalizowane są ośrodki ruchowe, przy czym prawa półkula kontroluje lewą stronę ciała, a lewa półkula prawą stronę ciała. W płatach potylicznych umiejscowione są ośrodki wzroku, a w płatach skroniowych ośrodki słuchu.

Bardzo ciekawą i przydatną do życia funkcję jest gnozja, czyli umiejętność rozpoznawania przedmiotów i zjawisk na podstawie wrażeń wzrokowych i dotyku. W przypadku chorób neurologicznych często następuje zaburzenie tej zdolności, co określa się mianem agnozja.

Terminem praksja określa się umiejętność wykonywania złożonych ruchów celowych. Zaburzenie tej czynności określa się mianem apraksji (np. nieumiejętność zawiązania sznurówek).

W wykrywaniu wielu zaburzeń ośrodkowego układu nerwowego pomocny jest elektroencefalogram EEG. Jest to proste badanie ukazujące aktywność różnych partii mózgu za pomocą zmiennych potencjałów elektrycznych na powierzchni głowy.