Sensorische systemen detecteren stimuli - zoals licht- en geluidsgolven - en zetten deze om in neurale signalen die door het zenuwstelsel kunnen worden geïnterpreteerd. Naast externe prikkels die door de zintuigen worden gedetecteerd, detecteren sommige sensorische systemen ook interne prikkels - zoals de proprioceptoren in spieren en pezen die feedback sturen over de positie van de ledematen.

Zintuiglijke systemen omvatten de visuele, auditieve, smaak (smaak), olfactorische (geur), somatosensorische (aanraking, pijn, temperatuur en proprioceptie) en vestibulaire (balans, ruimtelijke oriëntatie) systemen.

Alle sensorische systemen hebben receptorcellen die gespecialiseerd zijn in het detecteren van een bepaald type stimulus. Haarcellen in het binnenoor hebben bijvoorbeeld trilharen die bewegen in de aanwezigheid van geluidsgolven, terwijl olfactorische receptorneuronen in de neusholte receptoren hebben die zich binden aan geurmoleculen.

De aanwezigheid van een geschikte stimulus veroorzaakt elektrochemische veranderingen in het zenuwstelsel. Deze stimulus verandert het membraanpotentiaal van een sensorisch neuron, waardoor een actiepotentiaal wordt geactiveerd. De informatie wordt vervolgens overgedragen van het sensorische orgaan naar het ruggenmerg en vervolgens naar de hersenen, of komt direct in de hersenen terecht (zoals in het visuele systeem).

De verschillende soorten sensorische informatie - ook wel modaliteiten genoemd - reizen via verschillende paden door het centrale zenuwstelsel. De meeste informatie wordt overgebracht naar de thalamus - een structuur in het midden van de hersenen. Hiervanuit wordt sensorische informatie meestal naar gebieden van de hersenschors gestuurd die zijn bedoeld voor het analyseren van specifieke modaliteiten, bijvoorbeeld de primaire visuele cortex of de primaire auditieve cortex.

Deze gebieden sturen op hun beurt informatie naar de associatiecortex, waar sensorische informatie wordt geïntegreerd met andere soorten informatie voor complexere analyse. Uiteindelijk zorgt de neurale verwerking die via deze paden en netwerken plaatsvindt voor een nauwkeurige perceptie van sensorische stimuli, zoals de identiteit en locatie van objecten in de visuele wereld, of het begrijpen van spraak.