嗅覚は、嗅覚系の活動によって実現されています。嗅覚は、空気中の匂い物質が鼻腔に入り、嗅上皮（OE）に到達することで始まります。OEは薄い粘液で保護されていますが、この粘液は複雑な化合物をより単純な化学的臭気物質に溶かす役割も果たしています。OEの大きさや感覚ニューロンの密度は種によって異なり、人間の場合、OEは約9～10 cm²しかないです。

嗅覚受容体は、嗅覚ニューロンの繊毛の中に埋め込まれています。しかし、各タイプの嗅覚受容体は幅広く調整されており、複数の異なる匂い物質に結合できます。例えば、受容体Aが匂い物質1と2に結合する場合、受容体Bは匂い物質2と3に結合し、受容体Cは匂い物質1と3に結合することがあります。このように、匂いの検出や識別は、その匂いを認識する嗅覚受容体の組み合わせに依存しており、これを組み合わせ多様性（コンビナトリアルダイバーシティ）と呼びます。

嗅覚ニューロンは、嗅覚情報を嗅球（OB）に送る1本の長い軸索を持つ双極性細胞です。嗅球は脳の一部で、鼻腔とは篩状板で隔てられています。このように鼻と脳が接近していることから、特に中枢神経系に直接アクセスすることが望ましい場合には、経鼻薬の開発が広く研究されています。

嗅球の中では、感覚ニューロンの軸索は糸球体と呼ばれる特殊な部位で終止します。同じ嗅覚受容体タイプの感覚ニューロンは、同じ1つまたは2つの糸球体に軸索を送ります。その結果、1つの糸球体には、同じ種類の感覚ニューロンからの軸索が何千本も集まることになります。その感覚情報のすべてが、糸球体ごとに20〜50個の僧帽細胞と房状細胞にしか渡されないため、情報の収束が大きいのです。嗅覚情報が大脳皮質に送られる前に、糸球体周囲細胞と顆粒細胞は抑制性介在ニューロンであり、僧帽・房状細胞間のクロストークを仲介します。

OBから僧帽・房状細胞は情報を嗅覚皮質に投射します。嗅覚皮質は、嗅覚情報を処理するいくつかの皮質領域の複合体です。嗅覚領域の一つである皮質扁桃体は、匂いに対する感情的反応に影響を与えます。眼窩前頭皮質は、匂いの識別、匂いや味の報酬価値に関与しています。もうひとつの嗅覚皮質領域である嗅内皮質は、嗅覚記憶に関係する海馬に投影されています。

匂いを検出し識別する能力には、高次の皮質領域が関与しています。パーキンソン病やアルツハイマー病など、多くの神経変性疾患で観察される嗅覚機能の低下は、このような高次脳機能の統合が関係している可能性があります。パーキンソン病やアルツハイマー病などの神経変性疾患では、嗅覚の低下が初期症状として現れます。