Merkezi sinir sistemi, sinir sisteminin beyin ve omuriliği içeren bölümüdür. Bu bölgelerde bütün impulslar değerlendirilir ve yönlendirilir.

1. Beyin

Beyin ve omurilik üç katlı bir bağ dokusu ile sarılmıştır. Bu zarlara beyin zarı (meninges) adı verilir. Bu zarın iltihaplanmasıyla menenjit hastalığı oluşur. Beyin zarı üç kısımdan meydana gelir.
Sert zar: Kalın, dayanıklı ve koruyucu özelliği vardır. Kafatasına yapışıktır.
Örümceksi zar: Yapısındaki bağ doku lifleri sayesinde sert ve ince zarı birbirine bağlar.
İnce zar: Beyni besleyen kılcal damarlarca zengindir. Beynin bütün girinti ve çıkıntılarına kadar girerek beyin üzerine yapışmıştır.

Örümceksi zarla, ince zar arasını dolduran sıvıya beyin omurilik sıvısı (BOS) denir. Beyin omurilik sıvısı, beyni vurma, çarpma gibi mekanik etkilere karşı korur. Kan ve sinir hücreleri arasında madde alışverişini sağlar ve merkezi sinir sistemindeki iyon değişiminin dengede kalmasını sağlar.
İnsanda beyin, ön beyin, orta beyin ve arka beyin olmak üzere üç bölümden oluşur.

Ön Beyin

Beynin en büyük kısmıdır ve uç beyin ile ara beyin olarak iki kısımdan meydana gelir.
Uç beyin

Beynin diğer bölümlerini üstten kapatan kısımdır. Beyin yarım küreleri ve ara beyin olmak üzere iki kısımdan oluşur.
Yarım küreler birbirlerine üstten nasırlı cisim alttan ise beyin üçgeni denilen bağlarla bağlanır. Bu bağlantılar nöronların aksonlarından meydana gelir.

Beyin yarım kürelerini enine olarak ayıran yarığa ise rolando yarığı denir.
Ön beyinden bir kesit alındığında dışta boz madde, içte ise ak madde bulunur. Boz madde gri renkli görünüp, nöronların hücre gövdelerinden meydana gelir. Boz maddeden oluşan dış kısma beyin kabuğu denir. Beynin bu kısmında çok sayıda girinti ve çıkıntı vardır.
Beyin kabuğunu oluşturan boz maddenin altında ak madde bulunur. Ak madde, miyelinli sinirlerin aksonlarından
oluşur.
Hafıza, öğrenme, değerlendirme, hayal kurma, resim yapma, yazma, okuma, konuşma, anlama, hatırlama, istemli hareketler şeklindeki olayların merkezleri beyin kabuğundadır.
Orta Beyin (Ara Beyin)

Talamus, hipotalamus ve hipofiz bezinin arka lobundan oluşur.

Talamus; koku duyusu hariç bütün duyuların toplanma ve dağılma yeridir. Duyular burada iyi, kötü, güzel, hoş diye sınıflandırıldıktan sonra beyin kabuğuna gönderilir. Uyku sırasında talamus ve beyin kabuğu görev yapmaz.
Hipotalamus; vücudun iç dengesini (homeostasi) düzenler. Hipofiz bezinin çalışmasında, su dengesi, kan basıncı, uyku, iştah, vücut ısısının düzenlenmesinde, yağ ve karbonhidrat metabolizmasının düzenlenmesinde
görevlidir.
Hipotalamus, salgıladığı hormonlarla (salgılatıcı faktörler= RF) hipofiz bezinin hormon salgılamasını kontrol eder. Bu sayede sinir sistemi ile hormon sistemi arasındaki bağlantının kurulmasını sağlar.
b. Orta Beyin

Beyincik, omurilik soğanı ve omurilik arasında bağlantı kuran sinirlerin geçtiği yerdir. Orta beynin üst kısmında dört tane çıkıntı vardır. Bunlara optik lop denir. Optik lopta bulunan refleks merkezleri göz ve kulak reflekslerini kontrol eder.
Örneğin göz bebeğinin büyüyüp küçülmesi, bir köpeğin kulakların dikleşmesi gibi. Orta beyin; kas tonusu denilen ve dinlenme halinda kasların az da olsa kasılıkalması durumu gibi vücut duruşunu düzenleyen merkezlere de sahiptir.
c. Arka Beyin

Beyincik, pons ve omurilik soğanından meydana gelir.
Beyincik; beynin alt kısmında bulunur ve beyin gibi iki yarım küreye ayrılmıştır. Dış kısmında boz madde iç kısmında ise ak madde bulunur. Ak madde, boz madde içinde dallanmalar yapar. Bu yapı bir ağaca benzediği için hayat ağacı adını alır.
Beyincik kas hareketleri arasındaki uyumu sağlar. Vücut dengesinin ayarlanmasını iç kulaktaki bazı yapılarla birlikte gerçekleştirir. Bebeklerin küçükken oturamayışı, yürüyemeyişi ve ayakta duramayışı beyinciğinin tam gelişmemiş olmasındandır.

Omurilik soğanı; omurilik ile pons arasındaki şişkin kısımdır. Beyinden gelen sinirler, omurilik soğanından çapraz yaparak geçerler.
Örneğin; beynin sol tarafından çıkan sinirler, omurilik soğanında çapraz geçiş yaparak, vücudun sağ tarafını kontrol eder.
Dış kısmında ak madde, iç kısmında ise boz madde bulunur. Solunum, sindirim, dolaşım, boşaltım, salgılama gibi sistemlerin otomatik çalışmasını ayarlar. Ayrıca kusma, çiğneme, hapşırma, öksürme ve yutma gibi kalıtsal refleksleri denetler. Yaşamsal olayların denetim merkezi olduğu için hayat düğümü adını alır.
Pons (varol köprüsü); orta beyin ile omurilik soğanı arasında bulunur. Pons, omurilik soğanı ve orta beyin birlikte beyin sapı olarak adlandırılır. Pons sadece memelilerde vardır.

Beyincik yarım küreleri, pons ile birbirine bağlıdır. Varol köprüsü, beyinciğin ön tarafında ve omurilik soğanının üst kısmında bulunur.
Pons, beyinciğin iki yarım küresi arasında uyartı taşır ve orta beyinle bağlantı kurmasını sağlar. Vücudun sağ ve sol tarafında yer alan farklı kasların çalışmasını ve solunum merkezlerinin çalışmasını düzenler.