Головний мозок у ссавців поділяється на такі самі відділи, як і в інших хребетних. Проте в них великі півкулі переднього мозку мають складнішу будову. Зовнішній шар великих півкуль складається з нервових клітин, які утворюють кору мозку. Кора великих півкуль у багатьох ссавців, у тому числі й у собаки, настільки збільшена, що лежить не рівним шаром, а утворює складки — звивини. Чим більше звивин, тим краще розвинена кора мозку і тим більше в ній нервових клітин. Якщо в піддослідного собаки видалити кору великих півкуль, то в нього зберігаються основні інстинкти, але втрачаються всі набуті навички, а нові умовні рефлекси вже ніколи не утворяться.
Мозочок добре розвинений і, подібно до великих півкуль, має багато звивин. Розвиток мозочка пов’язаний з координацією складних рухів ссавців.
Поведінка ссавців не менш складна, ніж поведінка птахів. Поряд із складними інстинктами вона багато в чому визначається вищою нервовою діяльністю, в основі якої лежать умовні рефлекси, що виробляються протягом життя. Особливо легко й швидко утворюються умовні рефлекси в тих ссавців, у яких добре розвинена кора великих півкуль головного мозку.
Уже з перших днів життя малята ссавців упізнають матір. Виростаючи, вони безперервно збагачують особистий досвід у відносинах з навколишнім середовищем. В іграх (борюкання, взаємне переслідування, стрибки тощо) молоді тварини тренуються й виробляють індивідуальні прийоми нападу та захисту. Такі ігри властиві тільки ссавцям.
Через те що навколишнє середовище мінливе, у ссавців постійно виробляються нові умовні рефлекси, а ті, що не підкріплюються умовними подразниками, втрачаються. Завдяки цій особливості ссавці швидко й дуже добре пристосовуються до умов навколишнього середовища.