На весьма высоком уровне развития находится центральная нервная система млекопитающих. Головной мозг относительно крупных размеров, состоит из 5 отделов: передний мозг, промежуточный, средний, мозжечок и продолговатый. Наиболее сильно развит передний мозг, или большие полушария. Они имеют кору из серого нервного вещества. Поверхность переднего мозга, особенно у высших представителей класса (хищных, копытных и др.) бороздчатая. Хорошо развитая кора больших полушарий определяет возможность возникновения весьма сложных условных рефлексов, вырабатывающихся в результате жизненного опыта животного. В сочетании с врожденными безусловными рефлексами и инстинктами они создают все разнообразие проявлений высшей нервной деятельности млекопитающих, часто поражающей нас сложностью и целесообразностью. Столь высоко развитая высшая нервная деятельность имеет первостепенное значение для борьбы за существование. Она принадлежит к важнейшим факторам эволюции и успешного завоевания млекопитающими жизненного пространства.