兽类的脑比其他脊椎动物大。主要是大脑半球增大。在低等的脊椎动物中，嗅叶（专门起嗅觉作用的）是脑的主要部分。兽类是最高等的脊椎动物，不仅大脑半球增大，同时神经细胞所聚集的大脑皮层加厚以及表面出现了皱褶（沟和回）。大脑皮层由发达的新脑皮构成，是覆盖在大脑半球表面的灰质层，主要由神经细胞的细胞体构成。大脑是高级神经活动中枢。脑的发生过程中先后出现三种脑皮，即原脑皮、旧脑皮、新脑皮。原始脑皮出现于鱼类，主要由嗅神经细胞组成，专门起嗅觉作用，白质（神经纤维）在半球的表面，灰质（神经细胞的胞体）在深层，也没有什么分化。现在生活的两栖类的脑，灰质仍然在里面，但已分化成原脑皮、背面的旧脑皮和腹面的纹状体（联系大脑与脑干的中枢）。爬行类灰质逐渐移向表面，另外在原脑皮与旧脑皮之间，出现新脑皮，并有纤维与脑干联系。新脑皮具有分析、综合、发布信息的功能，并且有了高度的分化。因此，兽类的新脑皮层最发达能够有效地协调机体内部的统一，并对复杂的外界条件的变化迅速做出反应。随着兽类的躯体结构，功能和行为的复杂化，神经系统也随着发展。

　　 兽类的感觉器官很发达，对于光（视觉）、声（听觉）和嗅（嗅觉）有很强的感觉能力，这对于远距离定向、走位有很重要的作用。例如，狗能在人群中找到自己的主人，能准确无误地辨认被迫捕者的足迹，能分辨200万种不同浓度的气味。在每一立方厘米的空气中（约有268乘10的17次方个分子）只要有9000个丁酸的分子，狗就能够嗅出。又如金丝猴的成猴听到“wo一wo”声，就知道是幼猴在寻找成猴；一听到“ga一ga”声，就知道是同伴发现丰盛的食物了。白臀鹿只要听到连续的“ao一ao一ao”声，就知道有危险了，赶紧隐蔽起来，逃避敌害。还有如马鹿、梅花鹿、狍、羚羊和兔等一些兽类，只要看到同类动物的臀部或尾上出现明显的白色或黑、白色的斑块，就知道危险或敌害出现了，也就赶快地逃避。