Il senso dell'olfatto si ottiene attraverso le attività del sistema olfattivo. Inizia quando un odorante aerotrasportato entra nella cavità nasale e raggiunge l'epitelio olfattivo (OE). L'OE è protetto da un sottile strato di muco, che serve anche allo scopo di sciogliere composti più complessi in odori chimici più semplici. La dimensione dell'OE e la densità dei neuroni sensoriali varia tra le specie; nell'uomo, l'OE è solo di circa 9-10 cm².

I recettori olfattivi sono incorporati nelle ciglia dei neuroni sensoriali olfattivi. Ogni neurone esprime un solo tipo di recettore olfattivo. Tuttavia, ogni tipo di recettore olfattivo è ampiamente specializzato e può legarsi a più odori diversi. Ad esempio, se il recettore A si lega agli odori 1 e 2, il recettore B può legarsi agli odori 2 e 3, mentre il recettore C si lega agli odori 1 e 3. Così, il rilevamento e l'identificazione di un odore dipendono dalla combinazione di recettori olfattivi che riconoscono l'odore; questo è chiamato diversità combinatoria.

I neuroni sensoriali olfattivi sono cellule bipolari con un singolo assone lungo che invia informazioni olfattive fino al bulbo olfattivo (OB). L'OB è una parte del cervello che è separata dalla cavità nasale dalla piastra cribriforme. A causa di questa comoda vicinanza tra il naso e il cervello, lo sviluppo di applicazioni farmacologiche nasali è ampiamente studiato, soprattutto nei casi in cui è preferibile l'accesso diretto al sistema nervoso centrale.

All'interno dell'OB, gli assoni dei neuroni sensoriali terminano in un'area specializzata chiamata glomerulo. I neuroni sensoriali con lo stesso tipo di recettore olfattivo inviano i loro assoni allo stesso uno o due glomeruli. Di conseguenza, ci possono essere migliaia di assoni da neuroni sensoriali simili convergenti all'interno di un singolo glomerulo. Tutte queste informazioni sensoriali vengono trasmesse solo a 20-50 cellule mitrali e trapuntate per glomeruli, quindi c'è una grande convergenza di informazioni. Le cellule periglomeriche e granulari sono interneuroni inibitori che mediano il dialogo incrociato tra cellule mitrali/trapuntate prima che le informazioni olfattive vengano inviate alla corteccia.

Dall'OB, le cellule mitrali/trapuntate proiettano le informazioni sulla corteccia olfattiva. La corteccia olfattiva è un complesso di diverse aree corticali che elaborano le informazioni olfattive. Un'area olfattiva, l'amigdala corticale, influenza le risposte emotive all'olfatto. La corteccia orbitofrontale è coinvolta nell'identificazione degli odori e nel valore di ricompensa di odori e sapori. La corteccia entorinale, un'altra area corticale olfattiva, proietta all'ippocampo, che è implicata nella memoria olfattiva.

La capacità di rilevare e identificare gli odori coinvolge aree corticali di ordine superiore. Tale integrazione di alto livello può essere collegata al funzionamento olfattivo alterato osservato in molti disturbi neurodegenerativi, come il morbo di Parkinson e il morbo di Alzheimer. La ridotta capacità di annusare, l'iposmia, è un sintomo precoce di entrambi i disturbi.