Periferní nervový systém funguje pouze k přenosu smyslových a motorických impulsů mezi centrálním nervovým systémem a svaly těla, žlázami a smyslovými orgány. Sám o sobě nehraje žádnou roli ani v analýze smyslových vjemů ani v tvorbě motorických impulsů. Obě tyto aktivity, a kromě toho ještě řada jiných funkcí se odehrává v centrálním nervovém systému. Centrální nervový systém tvoří mozek a mícha. Smyslovými vlákny dostávají zprávy ze smyslových orgánů a receptorů těla, filtrují a analyzují je, a pak odesílají impulsy motorickými vlákny, které pak způsobí odpovídající reakci svalů a žláz. Analytická nebo zpracující činnost může být poměrně jednoduchá pro určité činnosti prováděné míchou, ale analýza v mozku je obvykle velmi složitá, zahrnuje účast tisíců rozdílných neuronů. Mnoho smyslových neuronů v mozku končí a mnoho motorických neuronů v mozku začíná, přesto však je většina mozkových neuronů tak zvanými interneurony (propojovací nervové buňky), jejichž činností je filtrovat, analyzovat a střádat informace.
Celý centrální nervový systém musí mít stále zajištěné vydatné krevní zásobení s přísunem kyslíku a výživy. Je také chráněn 2 typy obalů. Prvním typem obalu je kost: mozek je uložen v lebce a mícha v páteři. Druhým obalem jsou meningy ("mozkové pleny") skládající se ze 3 membrán vazivové tkáně – tvrdé mozkové pleny (dura mater), pavučnice (arachnoidea) a omozečnice (pia mater). Mozkové pleny kryjí celý mozek a míchu.
Mozkomíšní mok je průhledná tekutina, která protéká kolem mozkových plen, mozku a míchy a skrze mozkové komory. Mok je tvořen plynule z krve specializovanými buňkami plexus choroideus (cévnaté pleteně) v mozkových komorách. Na rozdíl od srdečních komor, které mají jména, označují se mozkové komory pouze jednotlivými čísly. Očíslování jde shora dolů a první a druhá komora (známé jako postranní komory) jsou největší. Mok proudí z postranních komor úzkým otvorem do malé třetí komory, a pak skrz rovný užší kanál, mozkový mokovod, do větší 4. komory. Odtud uniká skrz otvory ve stropě komory do tzv. cisteren (prostory vyplněné mokem, které jsou v okolí mozkového kmene při bazi mozku). Pak mok proudí nahoru přes vrchol mozku (kolem mozkových hemisfér) a je znovu vstřebán (reabsorbován) speciálními výrůstky pavučnice (arachnoidální klky) do žilního systému.
Mícha je sloupec nervové tkáně dlouhý asi 40 cm (16 palců), který běží uvnitř páteře z mozku do dolní části zad. Mícha je složena z nervových buněk a svazků nervových vláken.
Nervové buňky tvoří tzv. šedou hmotu, které má na příčném řezu tvar písmene H se zadními a předními rohy v každé polovině. Přední rohy tvoří motorické neurony, zatímco zadní rohy obsahují těla buněk spojovacích neuronů (interneuronů) a senzorických neuronů.
Šedá hmota je obklopena bílou hmotou. Tato bílá hmota je rozdělena do 3 sloupců a obsahuje vzestupné i sestupné nervy, které spojují mozek a míchu v obou směrech. Sestupné nervy posílají motorické impulsy z mozku do periferního nervového systému, zatímco vzestupné nervové kanály vedou smyslové impulsy do mozku.
Za prvé funguje jako dvojcestný vodivý systém mezi mozkem a periferním nervovým systémem. Toho je dosaženo senzorickými a motorickými neurony, jejichž vlákna vybíhají v dlouhých svazcích z mozku. Běží na různou vzdálenost dolů míchou, a na jejich nejvzdálenějším konci od mozku jsou v kontaktu s vlákny nebo těly buněk senzorických a motorických neuronů patřících k perifernímu nervovému systému. Zprávy jsou přenášeny přes synapse mezi míšními a periferními neurony.
Druhou funkcí míchy je kontrola jednoduchých reflexních činností. Toho je dosaženo neurony, jejichž vlákna probíhají na krátkou vzdálenost nahoru a dolů míchou a interneurony, které předávají zprávy přímo mezi senzorickými a motorickými neurony. Jestliže například položíte ruku na horká kamna, receptory bolesti v kůži pošlou zprávy smyslovými vlákny do míchy. Některé z těchto zpráv jsou předány okamžitě interneurony na motorické neurony, které kontrolují pohyb svalů paže a ruky, a ruka je rychle automaticky odstraněna. Jiné zprávy cestují nahoru do horní části míchy a jsou předány interneurony na motorické neurony, které kontrolují pohyby krku. Touto cestou je hlava automaticky otočena směrem ke zdroji bolesti. Další zprávy jsou neseny celou cestu nahoru do mozku a způsobí vědomé cítění horka a bolesti.
Mozek rozdělujeme na tři rozdílné oblasti: zadní mozek, střední mozek a přední mozek. Každou z těchto oblastí lze rozdělit na oddělené úseky odpovědné za zcela rozdílné funkce, všechny úseky jsou složitě propojeny s jinými částmi mozku.
Největší strukturou zadního mozku je mozeček. Mozeček ovlivňuje především motorické aktivity. Vysílá impulsy, které vyvolávají mimovolní svalové pohyby k udržení polohy těla a rovnováhy, a společně s motorickými zónami velkého mozku koordinuje pohyby těla.
Mozkový kmen, který spojuje mozek s míchou, zahrnuje prodlouženou míchu, most a střední mozek. Mozkovým kmenem procházejí všechny všechny signály jdoucí z periferie do mozku i opačným směrem z mozku na periferii. Všechny přicházející i odcházející zprávy jsou přepojeny křížem – pravá strana těla je řízena levou stranou mozku a obráceně.
Různé struktury v mozkovém kmeni – včetně prodloužené míchy a mostu zadního mozku a retikulární formace (někdy nazývané jako retikulární aktivační systém) středního mozku – mají na starost základní životní funkce. Kontrolují srdeční akci, tlak krve, polykání, kašlání, dýchání a vědomí.
Největší částí celého mozku je velký mozek, který patří k přednímu mozku. Je více vyvinutý u lidí než u jiných živočichů a je nezbytný pro myšlení, paměť, vědomí a vyšší duševní pochody, včetně rozhodovacích činností. Velký mozek se dělí přesně uprostřed na dvě poloviny – mozkové hemisféry. Ty jsou ve spodní části spojeny tlustým svazkem nervových vláken zvaným "korpus kalosum". Ačkoliv si jsou obě hemisféry vzájemně zrcadlově podobné, mají zcela rozdílné funkce a spolupracují navzájem právě prostřednictvím korpus kalosum.
V centru mozkových hemisfér je nahromaděna šedá hmota tvořená neurony, nazývaná bazální ganglia. Ganglia koordinují svalovou aktivitu, která umožňuje tělu provádět specifické vědomé i nevědomé pohyby, například houpání paží při chůzi nebo formování výrazu tváře.
Hypotalamus leží v bazi mozku pod oběma mozkovými hemisférami. Je těsně pod další důležitou strukturou předního mozku, talamem, který funguje jako telefonní ústředna mezi míchou a mozkovými hemisférami. Hypotalamus je souborem specializovaných nervových center, které jsou propojeny s jinými důležitými zónami mozku stejně jako s hypofýzou. To je oblast důležitá pro kontrolu některých životně důležitých funkcí, například zpracování potravy, spánku a udržování tělesné teploty. Hypotalamus je také těsně spolupracuje s hormonálním (endokrinním) systémem (viz kapitola 5).
Hypotalamus je nervovými drahami spojen s tzv. limbickým systémem (systém související s kontrolou emočních reakcí, s regulací složitých forem chování v sociální, sexuální a rodičovské oblasti). Hypotalamus je také těsně spojen s čichovým centrem a jinými smyslovými centry mozku, se zónami podílejícími se na chování a na organizování paměti.
Mozková kůra je 3 mm (1/8 palce) silná rýhovaná vrstva šedé hmoty tvořící záhyby při vnějším okraji mozku. Tato část mozku se u člověka vyvinula v takovém rozsahu, že jen poskládáním v mnoha přehybech přes sebe je možné její přizpůsobení tvaru a velikosti lebky. Bez složení v záhyby by pokryla mozková kůra plochu 30krát větší. Kromě většiny mělčích záhybů jsou určité rýhy tak hluboké, aby rozdělily každou z obou hemisfér mozkové kůry na 4 části zvané laloky. Každý z laloků slouží jedné nebo více specifickým funkcím. Spánkové (temporální) laloky se účastní vnímání sluchu a také čichu, temenní (parietální) laloky se účastní vnímání dotyku a chuti, tylní (occipitální) laloky zajišťují zrak a čelní (frontální) laloky zajišťují pohyb, řeč a složité myšlení. V každém z těchto laloků jsou specifické oblasti, které přijímají smyslové vjemy pouze z jedné určité části těla. Například na vnímání dotyku jen z oblasti kolena je specializován nepatrný úsek temenního laloku, a naopak na vnímání z oblasti palce ruky je určen velký úsek temenního laloku. Proto je palec ruky mnohem citlivější než oblast kolena. Stejný princip platí pro ostatní smyslové (senzorické) části mozkové kůry a stejně tak pro části řídící motorickou činnost.
Právě mozková kůra dostává informace z pěti smyslů – zraku, sluchu, hmatu, chuti a čichu – analyzuje je a předává dále, takže ostatní části nervového systému mohou na informace reagovat, když je třeba. Tzv. premotorická oblast (tj. oblast mozkové kůry uložená v čelním mozkovém laloku před motorickou oblastí) i motorická oblast mozkové kůry spolupracují s ostatními zónami centrálního i periferního nervového systému na tvorbě koordinovaného pohybu, který je zásadní pro každou vědomou činnost těla.