Duyusal sistemler uyaranları (ışık ve ses dalgaları gibi) algılar ve bunları sinir sistemi tarafından yorumlanabilen sinir sinyallerine dönüştürür. Duyular tarafından tespit edilen dış uyaranlara ek olarak, bazı duyusal sistemler, ekstremite pozisyonu hakkında geri bildirim gönderen kaslardaki ve tendonlardaki proprioseptörler gibi iç uyaranları tespit eder.

Duyu sistemleri görsel, işitsel, tat, olfaktor (koku), somatosensoriyel (dokunma, ağrı, sıcaklık ve propriosepsiyon) ve vestibüler (denge, mekansal yönelim) sistemleri içerir.

Tüm duyusal sistemler, belirli bir uyaran türünü tespit etmek için uzmanlaşmış reseptör hücrelerine sahiptir. Örneğin, iç kulaktaki tüylü hücreler ses dalgalarının varlığında hareket eden kirpiklere sahipken, burun boşluğundaki olfaktör reseptör nöronları koku moleküllerine bağlanan reseptörlere sahiptir.

Uygun bir uyaranın varlığı sinir sisteminde elektrokimyasal değişiklikleri tetikler. Bu uyaran tipik olarak bir duyusal nöronun membran potansiyelini değiştirir ve bir aksiyon potansiyeli oluşumunu tetikler. Bilgi daha sonra duyu organından omuriliğe ve oradan da beyne veya doğrudan beyne (görsel sistemde olduğu gibi) iletilir.

Farklı duyusal bilgi türleri (modaliteler olarak da adlandırılır) merkezi sinir sistemi boyunca farklı yollarla seyahat eder, ancak çoğu beynin ortasındaki bir yapı olan talamusa iletilir. Buradan, duyusal bilgi tipik olarak, birincil görsel korteks veya birincil işitsel korteks gibi spesifik modalitelerin analizine adanmış serebral korteksin alanlarına gönderilir.

Bu alanlar, sırayla, duyusal bilginin üst düzey analiz için diğer bilgi türleriyle entegre edildiği bilişsel kortekse bilgi gönderir. Nihayetinde, bu yollar ve ağlar boyunca meydana gelen sinirsel işleme, görsel dünyadaki nesnelerin kimliği ve konumu veya konuşmanın anlaşılması gibi duyusal uyaranların doğru bir şekilde algılanmasını sağlar.