Najpierwotniejszym /u jamochłonów/ jest rozproszony układ nerwowy, w postaci sieci złożonej z komórek nerwowych. U kolejnych typów bezkręgowców obserwuje się stopniową jego centralizację.
Tworzą się zwoje nerwowe. Od zwojów mózgowych w części głowowej odchodzą brzuszne pnie nerwowe połączone ze sobą poprzecznie. Układ taki, zwany drabinkowym, jest charakterystyczny np. dla pierścienic i stawonogów, a u owadów osiąga najwyższy stopień rozwoju z wykształconym ze zwojów mózgowych mózgiem. Obserwuje się też łączenie pni brzusznych w jeden łańcuszek brzuszny. U kręgowców układ nerwowy charakteryzuje się wysokim stopniem rozwoju i centralizacji ośrodków nerwowych. Centralny układ nerwowy w postaci mózgu i rdzenia kręgowego rozwija się po stronie grzbietowej z cewki nerwowej. Od mózgu i rdzenia rozchodzą się nerwy czuciowe i ruchowe tworzące układ obwodowy. Mózg zwany też mózgowiem dzieli się na pięć części: kresomózgowie, międzymózgowie, śródmózgowie, móżdżek i rdzeń przedłużony. W procesie ewolucji kresomózgowie rozrasta się i przykrywa /u ptaków i ssaków/ jako półkule mózgowe pozostałe części mózgowia. U ssaków powierzchnia półkul mózgowych /kora/ ulega pofałdowaniu.
Narządy lub komórki zmysłowe umożliwiają odbieranie bodźców ze środowiska zewnętrznego i wewnętrznego. Początkowo komórki zmysłowe były równomiernie rozmieszczone w powłoce ciała. Później niektóre skupiły się w grupy tworząc narządy zmysłu: wzroku, słuchu i równowagi, powonienia, smaku, czucia. W toku ewolucji ulegały stopniowemu rozwojowi, osiągając doskonałość, np. ewolucja oczu biegła od oczek prostych u prymitywnych bezkręgowców do wyspecjalizowanych oczu złożonych owadów lub oczu głowonogów i kręgowców; podobnie stopniowo kształtowało się ucho kręgowców, w którym u ssaków występują 3 kosteczki słuchowe.