У рыб происходит усложнение головного мозга, но в целом он устроен сравнительно примитивно, все его 5 частей (передний, промежуточный, средний, мозжечок, продолговатый мозг) имеют линейное расположение. Размеры головного мозга рыб очень малы: у налима 1/700 массы тела, у щуки — 1/1300,у акулы — 1/37000.
Передний мозг у рыб состоит из двух полушарий с неполной перегородкой и одной полостью. Выросты переднего мозга образуют обонятельные доли (у хрящевых) и луковицы (у костистых). Является центром обоняния, регулирует функции стайного поведения рыб.
Промежуточный мозг является центром переключения возбуждений, которые поступают из всех отделов головного мозга, связанных с ним, от него отходят зрительные нервы, которые образуют перекрест (хиазму). На промежуточном мозге имеются железы: сверху — надмозговая, или эпифиз, снизу — подмозговая, или гипофиз.
Средний мозг хорошо развит и состоит из массивного основания и крыши, которая бороздкой разделена на два полушария — зрительные доли. От среднего мозга отходят глазодвигательные нервы. Он является зрительным центром, а также регулирует тонус мышц и равновесие тела.
Мозжечок координирует движения рыб, связанные с плаванием и захватом добычи. Его размеры варьируют в зависимости от степени подвижности рыб, у круглоротых находится в зачаточном состоянии.
Продолговатый мозг — наиболее важный отдел головного мозга у рыб. От него отходят 6 пар из 10 головных нервов (с V по X), иннервирующих органы дыхания, равновесия и слуха, осязания, органы чувств системы боковой линии, сердце, пищеварительную систему. Задний отдел продолговатого мозга переходит в спинной мозг.