Koku duyusu, koku alma sisteminin faaliyetleri ile hissedilir. Bu duyu havadaki koku molekülleri burun boşluğuna girdiğinde ve koku alma epiteline (OE) ulaştığında başlar. OE, daha karmaşık bileşikleri daha basit kimyasal kokulara çözme amacına hizmet eden ince bir mukus tabakası ile korunur. OE'nin büyüklüğü ve duyusal nöronların yoğunluğu türler arasında değişmekle birlikte, insanlarda OE alanı yaklaşık 9-10 cm²'dir.

Olfaktör reseptörler, olfaktör duyusal nöronların silyalarına gömülüdür. Her nöron sadece bir tür koku alma reseptörünü ifade eder. Ancak, koku reseptörlerine her tür genel ve çok sayıda farklı koku molekülü bağlayabilir. Örneğin, A reseptörü 1 ve 2 kokularına bağlanır, B reseptörü 2 ve 3 kokularına bağlanabilirken, C reseptörü 1 ve 3 kokularına bağlanabilir. Bu nedenle, bir kokunun tespiti ve tanımlanması, kokuyu tanıyan koku reseptörlerinin kombinasyonuna bağlıdır ve buna kombinasyonel çeşitlilik denir.

Koku duyusu nöronları, koku alma bilgisini koku alma bulbusuna (OB) gönderen tek bir uzun aksona sahip bipolar hücrelerdir. OB, burun boşluğundan kribriform plaka ile ayrılan beynin bir parçasıdır. Burun ve beyin arasındaki bu uygun yakınlık nedeniyle, özellikle merkezi sinir sistemine doğrudan erişimin tercih edildiği durumlarda, nazal ilaç uygulamalarının gelişimi yaygın olarak incelenmiştir.

OB içinde, duyusal nöronlardan gelen aksonlar glomerulus adı verilen özel bir alanda sona erer. Aynı koku alma reseptörü tipine sahip duyusal nöronlar aksonlarını aynı bir veya iki glomerüle gönderir. Sonuç olarak, tek bir glomerül içinde birleşen benzer duyusal nöronlardan binlerce akson olabilir. Tüm bu duyusal bilgiler glomerül başına sadece 20-50 mitral ve tepeli hücreye iletilir, bu nedenle büyük bir bilgi yakınsaması vardır. Periglomerüler ve granüler hücreler, koku alma bilgileri kortekse gönderilmeden önce mitral/tepeli hücreler arasında çapraz iletişime aracılık eden inhibitör internöronlardır.

Mitral/tepeli hücreler bilgiyi OB'den, olfaktör kortekse yansıtır. Olfaktör korteks, olfaktör bilgiyi işleyen çeşitli kortikal alanlardan oluşan bir komplekstir. Bir koku alma alanı olan kortikal amigdala, kokuya karşı duygusal tepkileri etkiler. Orbitofrontal korteks, kokuların tanımlanmasında ve kokuların ve tatların ödül değerinde rol oynar. Başka bir olfaktör kortikal alan olan entorinal korteks, olfaktör hafızada yer alan hipokampusa projekte olur.

Kokuları tespit etme ve tanımlama yeteneği, daha yüksek bilişsel kortikal alanları içerir. Bu tür üst düzey entegrasyon, Parkinson hastalığı ve Alzheimer hastalığı gibi birçok nörodejeneratif bozuklukta görülen koku alma işlevi bozukluğu ile ilişkili olabilir. Koku alma yeteneğinin azalması (hiposmi) her iki bozukluğun da erken bir belirtisidir.