Pracujícími částmi nervového systému jsou milióny navzájem propojených nervových buněk zvaných neurony. Jejich funkce je poněkud podobná drátům v složitém elektrickém stroji; přebírají impulsy v jedné části nervového systému a posílají je do jiné části, kde mohou být předány na jiné neurony nebo způsobí nějakou činnost, například stah svalových vláken. Podle funkce rozlišujeme 3 typy neuronů: smyslové neurony, které předávají informace ze smyslových orgánů těla do centrálního nervového systému; interneurony, které předávají získané informace mezi ostatními neurony, a motorické neurony, které zahajují volní i mimovolní svalovou činnost.
Neurony mají různé tvary i velikosti, ale všechny mají stejnou základní stavbu. Stejně jako všechny buňky mají jádro, které je uloženo v nerovné kulovité části neuronu zvané tělo buňky. Z těla buňky vychází množství jemných vláken tvaru kořínků. Ty se nazývají dendrity. Z buňky vychází také jednoduché, dlouhé vlákno zvané axon, což je hlavní vodivé vlákno v nervu. Na vzdáleném konci se axon rozvětvuje na řadu větví, z nichž každá končí na množství nepatrných hrbolků. Každý hrbolek je v těsné blízkosti, ale ne v přímém dotyku s dendritem z jiného neuronu. Tato štěrbina se nazývá synapse, přes ní jsou zprávy přenášeny (zprostředkovány) látkami zvanými mediátory.
Každý neuron je ohraničen slabou polopropustnou (semipermeabilní) stěnou zvanou membrána neuronu, která hraje důležitou roli v přenosu impulsů. Impulsy vždy začínají podrážděním jednoho či více neuronových dendritů, a jsou nejprve přenášeny směrem k tělu buňky. Potom jsou axonem přeneseny pryč z těla buňky. Mnoho axonů je pokryto vrstvou tzv. myelinu (vrstva komplexních bílkovin – lipoproteinů tvořená membránami Schwannových buněk – viz. níže), což zvyšuje rychlost přenosu impulsu. Když impuls dosáhne výběžků na konci axonu, může za určitých okolností přeskočit přes synapsi na dendrit přilehlého neuronu, a tak je impuls předán dále.
Neurony nejsou jediným typem buňky, která se nachází v nervovém systému. Buňky známé jako neuroglie jsou přítomny ve velkém počtu v centrálním nervovém systému, mají zde podpůrnou, výživovou a obrannou funkci a vytvářejí obaly nervových vláken. V periferním nervovém systému se nachází Schwannovy buňky, jejichž lipoproteinové membrány tvoří obaly axonů.