Deniz jeli ve sünger gibi bazı ilkel yaratıklar dışında, hayvanlar bir tür merkezi sinir sistemine sahiptir. Santral sinir sisteminin anatomisi farklı organizmalar arasında değişiklik gösterir, ancak her zaman milyarlarca nörondan oluşan bir beyin içerir. İnsanlar dahil olmak üzere daha gelişmiş hayvanlarda vücut fonksiyonlarını düzenlemeye yardımcı olan omurilik vardır.
Beyin, merkezi sinir sisteminin anatomisinde en önemli organdır. Birçok hayvanda beynin bütününü oluşturan beyin sapı, bir organizmayı metabolizma, nefes alma ve kalp atışı gibi canlı tutmak için gereken işlevleri düzenler. Daha ileri evrimsel özellikler arasında, sürüngenlerde ve onlardan gelişen hayvanlarda bulunan serebellum bulunur. Hareket, koordinasyon ve hafızada yer alır. Tüm memelilerde ortak olan beyin, gönüllü kasları ve bilişi kontrol edenler gibi daha karmaşık işlemlerin merkezidir. Beynin bu bölümü, genellikle küçük bir sorumluluk setiyle yakından ilişkili olan ön ve parietal lob gibi bir dizi lota bölünür.
Bazı hayvanlarda merkezi sinir sisteminin anatomisi de bir omuriliği içerir. Bu organın varlığı veya yokluğu, tarihsel olarak hayvanları sınıflandırmak için bir yöntem olmuştur, ancak evrimsel ilişkilerin daha iyi anlaşılması, hayvanları fila adı verilen gruplara yerleştirmeye yardımcı olan birkaç özellikten biri haline getirmiştir. İnsanlar, balıklar ve sürüngenler gibi yanal simetriye sahip hayvanlarda, omurilik, hayvanın vücudunun uzunluğu boyunca, hayvanın sırtının merkezi boyunca uzanır. Omurilik beyin gibi bir nöron ağından oluşsa da, periferik ve merkezi sinir sistemi arasında daha fazla bir röle istasyonu olarak işlev görür ve sadece birkaç kilit sistemin doğrudan kontrolüne sahiptir.
Nöronlar, merkezi sinir sisteminin anatomisinin yapı taşlarıdır. Bu hücreler hem yapı içinde hem de kullanımda olan diğer hayvan hücrelerine benzemez. Diğer hücreler gibi, içinde organelleri ve deoksiribonükleik asidi vardır, ancak diğer hücrelerin aksine, hasar görürlerse kendilerini onaramazlar. Bir nöronun iki ucu vardır, diğer hücrelerden bilgi almak için ondan dallanan birçok dendritli bir hücre gövdesi ve diğer nöronlara bilgi ileten aksonlu bir terminal ucu. Bir nörondan gönderilen bilgi kimyasal ve elektriksel bir sinyal şeklindedir.
