I sistemi sensoriali rilevano gli stimoli, come le onde luminose e sonore, e li traducono in segnali neurali che possono essere interpretati dal sistema nervoso. Oltre agli stimoli esterni rilevati dai sensi, alcuni sistemi sensoriali rilevano stimoli interni, come i propriocettori nei muscoli e nei tendini che inviano feedback sulla posizione degli arti.

I sistemi sensoriali includono i sistemi visivi, uditivi, gustativi (gusto), olfattivi (odore), somatosensoriali (tocco, dolore, temperatura e propriocezione) e vestibolare (equilibrio, orientamento spaziale).

Tutti i sistemi sensoriali hanno cellule recettoriali specializzate per rilevare un particolare tipo di stimolo. Ad esempio, le cellule ciliate nell'orecchio interno hanno ciglia che si muovono in presenza di onde sonore, mentre i neuroni recettori olfattivi nella cavità nasale hanno recettori che si legano alle molecole odorose.

La presenza di uno stimolo appropriato innesca cambiamenti elettrochimici nel sistema nervoso. Questo stimolo cambia tipicamente il potenziale della membrana di un neurone sensoriale, innescando un potenziale d'azione. Le informazioni vengono quindi trasmesse dall'organo sensoriale al midollo spinale e poi al cervello, o direttamente al cervello (come nel sistema visivo).

I diversi tipi di informazioni sensoriali, chiamate anche modalità, viaggiano in diversi percorsi attraverso il sistema nervoso centrale, ma la maggior parte vengono trasmesse al talamo, una struttura al centro del cervello. Da qui, le informazioni sensoriali vengono in genere inviate ad aree della corteccia cerebrale dedicate all'analisi di modalità specifiche, ad esempio la corteccia visiva primaria o la corteccia uditiva primaria.

Queste aree, a loro volta, inviano informazioni alla corteccia associativa, dove le informazioni sensoriali sono integrate con altri tipi di informazioni per l'analisi di livello superiore. In definitiva, l'elaborazione neurale che si verifica in tutti questi percorsi e reti consente una percezione accurata degli stimoli sensoriali, ad esempio l'identità e la posizione degli oggetti nel mondo visivo o la comprensione del parlato.