뇌와 척수로 구성된 신경계이다. 사람의 뇌는 무게가 1.4㎏ 정도이고 부피는 약 1,300～ 1,500cc이며 그 속에는 1,000억 개 이상의 뉴런과 이들의 10배 정도 되는 숫자의 신경교세포가 있다. 뇌는 뇌막(meninges)이라고 하는 3겹의 질긴 보호막과 두개골로 보호되고 있으며 뇌막 사이의 공간과 뇌 내부의 공간들은 뇌척수액 (cerebrospinal fluid)으로 채워져 있는데, 이 액체는 압력과 충격을 흡수하는 일을 한다. 뇌는 심장에서 나오는 혈액의 15％를 공급받고 몸이 섭취하는 포도당의 75％를 소비한다. 혈액이 뇌로 들어가려면 먼저 혈관-뇌장벽(blood-brain barrier)을 통과해야 하는데, 이 장벽은 빽빽하게 붙어 있는 모세혈관의 내피세포들과 모세혈관을 둘러싸고 있는 성상교세포로 이루어져 있다. 전뇌는 인간의 뇌 중에서 가장 크고 중요한 부분이며 의식적인 생각, 추론, 기억, 언어, 감각에 대한 지각과 해석, 골격근을 의지에 따라 움직이는 일 등을 담당한다. 전뇌는 대뇌(cerebrum)·시상(thalamus)· 망상체(reticular system)·시상하부(hypothalamus)·대뇌변연계(limbic system) 등을 포함하고 있고, 보다 진화된 동물일수록 대뇌가 차지하는 비중이 크다. 대뇌는 전두엽(frontal lobe)·두정엽(parietal lobe)·후두엽(occipital lobe)·측두엽(temporal lobe) 등 4개의 엽으로 되어 있다. 뇌의 뒤쪽에 있는 후두엽은 시신경으로부터 시각정보를 받아 분석하는 부위이며, 뇌의 양 측면에 있는 측두엽은 청각과 후각에 관계되는 감각부위로부터 정보를 받아 처리하는 일을 한다. 전두엽은 대뇌의 앞쪽 부분으로, 일부는 의식적인 움직임을 조절하는 일을 하며 또 다른 부분은 언어중추라고 생각된다. 두정엽은 전두엽 바로 뒤에 있으며 피부의 감각수용기로부터 감각을 받는 부분과 몸의 자세나 위치를 감지하는 부위를 포함하고 있다. 대뇌의 바깥부분인 대뇌피질은 수많은 뉴런들의 신경세포체와 수상돌기로 되어 있다. 그 밑에는 수초로 싸인 신경들로 이루어진 백질이 있으며 이들은 정보를 받아 대뇌피질로 전달하고 피질에서 통합되어 내려오는 정보를 몸의 다른 부분으로 전달하는 일을 한다. 중심열(central fissure)을 중심으로 하여 대뇌피질의 앞부분은 운동영역이고 뒷부분은 감각영역이다. 시상은 전뇌의 기부에 위치하며 제3뇌실의 양쪽에 걸쳐 있다. 시상은 감각정보를 통합하고 분류해서 적절한 대뇌 부위로 보내고 대뇌로부터 신호를 받아 소뇌로 보낸다. 또한 시상은 의식 유지에 관련된 피질에 망상체(reticular system)라는 신경로에 의해 신경충격을 전달한다. 망상체는 대뇌로 들어가고 나가는 대화를 검문하는 곳이며, 이들의 검문에 따라 뇌의 적절한 부분이 자극·각성된다. 또한 망상체는 수면과 관련되어 있다. 시상하부는 시상의 아래에 놓여 있으며 제3뇌실의 바닥을 형성한다. 시상하부는 시상을 통해 여러 내부기관으로부터 감각정보를 받으며 이 정보는 심장박동률, 식욕, 수분의 체내 농도, 혈압, 체온과 같은 체내 상황을 조절하는 데 사용된다. 또한 시상하부는 배고픔·목마름·성욕·분노 등의 욕구에도 관여하며, 주요내분비선인 뇌하수체에서의 호르몬 분비도 조절한다. 중뇌는 능뇌와 전뇌를 연결하는 역할을 하며 눈과 귀로부터 감각정보를 받는다. 특히 척추동물의 모든 청각은 전뇌로 가기 전에 여기서 먼저 분석된다. 대부분의 척추동물에서는 시각도 중뇌에서 먼저 분석되지만 포유류에서는 직접 전뇌로 전달된다. 능뇌는 연수(medulla oblongata)·소뇌(cerebellum)·뇌교(pons)로 이루어져 있고 일반적으로 무의식적·불수의적·기계적 작용들을 조절한다. 연수는 뇌의 가장 뒷부분에 있으며 호흡률·심장박동·혈압 등을 조절하는 중추이다. 소뇌는 연수의 위쪽에 위치하며, 손발과 몸의 모든 수의적인 움직임을 조절하고 자세와 균형을 유지하는 일을 한다. 일관성 있는 조절을 위해 소뇌는 눈·평형감각기관·근육 등으로부터 근수축, 손발과 몸의 위치에 관한 정보를 받는다. 뇌교는 뇌와 척수, 대뇌와 소뇌 사이를 달리는 신경로를 포함하고 있어서 소뇌의 기능과 전뇌의 의식 부위를 연결시키는 역할을 한다. 또한 연수를 도와 호흡조절에도 관여한다. 척수는 뇌와 말초신경계를 연결하는 일을 한다. 척수는 척주에 의해 형성되는 척주관으로 보호되어 있고 뇌와 마찬가지로 뇌막으로 둘러싸여 있으며, 뇌막 안에는 뇌척수액이 들어 있다. 척주의 구멍을 통해 쌍으로 된 척수신경이 나오는데 등 쪽에서 나오는 것은 감각신경이고 배 쪽에서 나오는 것은 운동신경이다. 척수는 뇌의 지령 없이도 감각뉴런과 운동뉴런 사이에서 시냅스 반사를 일으킬 수 있는 자율성을 지니고 있다. 중추신경계는 말초신경계를 통하여 몸의 각부와 연결된다.