Pierwotniaki nie mają układu nerwowego, bo są jednokomórkowcami. Proste wielokomórkowce (jak ameby) posiadają tkankę czułą na dotyk, jednak daleko jej do sieci neuronowej. Bezkręgowce takie jak kałamarnice mają dość dobrze rozwiniętą sieć neuronową będącą w dużej części błoną komórkową ich jedynego oka. Układ nerwowy owadów jest całkiem niezły, jednak ma ograniczone zdolności uczenia się i można powiedzieć, że bazuje głównie na "instynktach". U kręgowców takich jak ryby, płazy, gady i ssaki występuje mózg ulokowany w głowie i składający się z kilku podstawowych elementów w różnym stopniu rozwiniętych. Są to m.in. kora mózgowa, móżdżek i rdzeń przedłużony przechodzący w rdzeń kręgowy. W przeważającym stopniu to kora mózgowa odpowiada za uczenie się i pamięć asocjacyjną (skojarzeniową), a móżdżek za koordynację ruchową, równowagę i niektóre procesy życiowe. Jednak jedynie mózg człowieka posiadł możliwości niedostępne innym układom nerwowym.