Der Geruchssinn wird durch die Aktivitäten des olfaktorischen Systems ermöglicht. Er setzt ein, wenn ein sich in der Luft befindlicher Geruchsstoff in die Nasenhöhle gelangt und das olfaktorische Epithel (OE) erreicht. Das OE wird durch eine dünne Schleimschicht geschützt, die auch dazu dient, komplexere Verbindungen in einfachere chemische Duftstoffe aufzulösen. Die Größe des OE und die Dichte der sensorischen Neuronen variiert von Spezies zu Spezies. Beim Menschen beträgt die Größe des OE nur etwa 9-10 cm².

Die Geruchsrezeptoren sind in den Zilien der olfaktorischen sensorischen Neuronen eingebettet. Jedes Neuron exprimiert nur einen Typ der olfaktorischen Rezeptoren. Jeder Typ der Geruchsrezeptoren ist jedoch weit abgestimmt und kann an mehrere unterschiedliche Geruchsstoffe binden. Bindet beispielsweise Rezeptor A an die Duftstoffe 1 und 2, kann Rezeptor B an die Duftstoffe 2 und 3 binden, während Rezeptor C an die Duftstoffe 1 und 3 bindet. Die Erkennung und Identifizierung eines Geruchs hängt also von der Kombination der Geruchsrezeptoren ab, die den Geruch erkennen. Man bezeichnet dies als kombinatorische Diversität.

Die olfaktorischen sensorischen Neuronen sind bipolare Zellen mit einem einzigen langen Axon, das die olfaktorischen Informationen bis zum Riechkolben (Olfactorius Bulbus, kurz OB) sendet. Der OB gehört zu dem Teil des Gehirns, der von der Nasenhöhle durch die Siebplatte getrennt ist. Aufgrund dieser günstigen Nähe zwischen Nase und Gehirn wird die Entwicklung nasaler Medikamentenapplikationen untersucht. Dies gilt insbesondere für Fälle, in denen ein direkter Zugang zum zentralen Nervensystem bevorzugt wird.

Im OB terminieren die Axone der sensorischen Neuronen in einem spezialisierten Bereich, dem Glomerulus. Die sensorischen Neuronen mit dem gleichen olfaktorischen Rezeptortyp senden ihre Axone an einen oder zwei gleiche Glomeruli. Als Ergebnis können Tausende von Axonen von ähnlichen sensorischen Neuronen in einem einzigen Glomerulus zusammenlaufen. All diese sensorischen Informationen werden dann an nur 20-50 Mitral- und Büschelzellen pro Glomeruli weitergeleitet, so dass eine große Konvergenz der Informationen besteht. Periglomeruläre und granuläre Zellen sind hemmende Interneuronen, die den Kommunikationsfluss zwischen den Mitral -und Büschelzellen vermitteln, bevor die olfaktorische Information an den Kortex weitergeleitet wird.

Vom OB projizieren die Mitral-/Büschelzellen Informationen in die Riechrinde. Der olfaktorische Kortex ist ein Komplex aus mehreren kortikalen Bereichen, die olfaktorische Informationen verarbeiten. Die kortikale Amygdala beeinflusst emotionale Reaktionen auf Gerüche. Der orbitofrontale Kortex ist an der Identifikation von Gerüchen und dem Belohnungswert von Gerüchen und Geschmäckern beteiligt. Der entorhinale Kortex, ein weiterer olfaktorischer Kortexbereich, projiziert zu dem Hippocampus, der eine Rolle in dem olfaktorischen Gedächtnis spielt.

Die Fähigkeit, Gerüche zu erkennen und zu identifizieren, benutzt kortikale Bereiche höherer Ordnung. Eine solche hochgradige Integration kann mit der bei vielen neurodegenerativen Erkrankungen, wie Parkinson und Alzheimer, beobachteten Beeinträchtigung der Geruchsfunktion in Verbindung gebracht werden. Die verminderte Fähigkeit zu riechen ist ein Frühsymptom beider Erkrankungen.