Sistemas sensoriais detectam estímulos—como ondas de luz e som—e transduzem-nos em sinais neurais que podem ser interpretados pelo sistema nervoso. Além dos estímulos externos detectados pelos sentidos, alguns sistemas sensoriais detectam estímulos internos—como os proprioceptores nos músculos e tendões que enviam feedback sobre a posição do membro.

Os sistemas sensoriais incluem os sistemas visual, auditivo, gustativo (paladar), olfatório (cheiro), somatossensorial (toque, dor, temperatura e propriocepção) e vestibular (equilíbrio, orientação espacial).

Todos os sistemas sensoriais possuem células receptoras especializadas para detectar um determinado tipo de estímulo. Por exemplo, as células ciliadas no ouvido interno têm cílios que se movem na presença de ondas sonoras, enquanto que os neurónios receptores olfatórios na cavidade nasal têm receptores que se ligam a moléculas de odores.

A presença de um estímulo adequado desencadeia alterações eletroquímicas no sistema nervoso. Esse estímulo normalmente altera o potencial de membrana de um neurónio sensorial, desencadeando um potencial de ação. A informação é então transmitida do órgão sensorial para a medula espinhal e, em seguida, para o cérebro, ou diretamente para o cérebro (como no sistema visual).

Os diferentes tipos de informações sensoriais—também chamadas de modalidades—viajam por diferentes vias através do sistema nervoso central, mas a maioria é transmitida ao tálamo—uma estrutura no meio do cérebro. A partir daqui, as informações sensoriais são normalmente enviadas para regiões do córtex cerebral dedicadas à análise de modalidades específicas—por exemplo, córtex visual primário ou córtex auditivo primário.

Essas regiões, por sua vez, enviam informações ao córtex de associação, onde as informações sensoriais são integradas com outros tipos de informações para análise de nível superior. No final, o processamento neural que ocorre ao longo dessas vias e redes permite uma percepção precisa de estímulos sensoriais—como a identidade e localização de objetos no mundo visual, ou a compreensão da fala.