Sensorische Systeme erkennen Reize, wie z.B. Licht -und Schallwellen und wandeln sie in neuronale Signale um. Diese können dann vom Nervensystem interpretiert werden. Neben den externen Reizen, die von den Sinnen erfasst werden, erkennen einige sensorische Systeme auch interne Reize, wie zum Beispiel die Propriorezeptoren der Muskeln und Sehnen, die eine Meldung zu der Position der Gliedmaßen senden.

Sensorische Systeme umfassen die visuellen, auditiven, gustatorischen (Geschmack), olfaktorischen (Geruch), somatosensorischen (Berührung, Schmerz, Temperatur und Propriozeption) und vestibulären (Gleichgewicht, räumliche Orientierung) Systeme.

Alle sensorischen Systeme haben Rezeptorzellen, die darauf spezialisiert sind, einen bestimmten Reiztyp zu erkennen. Zum Beispiel haben die Haarzellen im Innenohr Zilien, die durch Schallwellen bewegt werden, während Neuronen in der Nasenhöhle mit Geruchsrezeptoren solche Rezeptoren haben, die an Geruchsmoleküle binden.

Ein entsprechender Reiz löst elektrochemische Veränderungen im Nervensystem aus. Dieser Reiz verändert typischerweise das Membranpotential eines sensorischen Neurons, wodurch ein Aktionspotential ausgelöst wird. Die Information wird dann vom Sinnesorgan an das Rückenmark und dann an das Gehirn oder direkt an das Gehirn (wie im visuellen System) weitergeleitet.

Die verschiedenen Arten von sensorischen Informationen, auch als Sinnesmodalitäten genannt, reisen in verschiedenen Wegen durch das zentrale Nervensystem, wobei die meisten werden jedoch an den Thalamus übertragen. Der Thalamus befindet sich in der Mitte des Gehirns. Von hier aus werden die sensorischen Informationen typischerweise an Bereiche der Großhirnrinde geschickt, die für die Analyse bestimmter Sinnesmodalitäten zuständig sind. Sie werden zum Beispiel an den primären visuellen Kortex oder den primären auditorischen Kortex gesendet.

Diese Bereiche wiederum senden Informationen an den Assoziationskortex, wo sensorische Informationen mit anderen Arten von Informationen zur übergeordneten Analyse integriert werden. Letztendlich ermöglicht die neuronale Verarbeitung, die in diesen Wegen und Netzwerken stattfindet, eine genaue Wahrnehmung der sensorischen Stimuli. Ein Beispiel ist die Identifizierung und das Verstehen der Lage von Objekten in der visuellen Welt oder das Verstehen von Sprache.