En aquest ocupa gairebé tota la caixa craniana, i descansa sobre les fosses anterior i mitjana de la base del crani. D’un pes lleugerament més gran en l’home (1.160 g de terme mitjà) que en la dona (1.000 g), té una forma ovoide i és partit, per la cissura interhemisfèrica, en dues meitats simètriques, els hemisferis, entre els quals, i ocupant la part més profunda de la cissura, hi ha les formacions interhemisfèriques (cos callós, septum lucidum, trígon cerebral i regió hipotalàmica, fonamentalment). La superfície externa de cada hermisferi és dividida per una sèrie de solcs profuns (cissures interlobars) en quatre lòbuls (frontal, parietal, temporal i occipital), que a llur torn són dividits per cissures secundàries en una sèrie de circumvalacions. Aquesta superfície tan accidentada permet d’augmentar extraordinàriament l’àrea externa del cervell i, per tant, les seves possibilitats funcionals. La cara inferior dels hemisferis també és dividida en dos lòbuls: orbitari i temporooccipital, i la cara més inferior presenta la circumvolució pericallosa, que forma part del sistema límbic. En una secció del cervell, hom veu, de fora a dintre, la substància grisa (escorça o còrtex) i la substància blanca. La primera és constituïda per una sèrie d’estrats cel·lulars en nombre de sis, dels quals es destaca la capa tercera de cèl·lules piramidals que donen origen a la major part de les fibres conductores de la motilitat voluntària. La substància blanca és constituïda pels axons de les cèl·lules corticals i pels axons de les cèl·lules sensitives centrípetes, així com per una sèrie de connexions axòniques que relacionen el còrtex amb els nuclis de la base i amb altres formacions extracerebrals (especialment amb el cerebel). També hi ha axons que uneixen entre ells diverses circumvolucions i fins els dos hemisferis (fibres interhemisfèriques). Conté a l’interior unes formacions grises (els nuclis basals), que són el tàlem, el nucli lenticular (dividit en putamen i pàl·lidum) i el nucli caudal. Entre el tàlem i el nucli lenticular resta una porció de substància blanca (càpsula interna), i entre el nucli lenticular i el còrtex (al nivell de l’anomenat lòbul de l’ínsula de Reil) una làmina de substància grisa delimita dues làmines més de substància blanca (càpsula externa i càpsula extrema). A l’interior dels hemisferis i de les formacions interhemisfèriques hi ha unes cavitats que comuniquen entre elles i constitueixen els ventricles: dos de laterals (un per a cada hemisferi) i un de mitjà (tercer ventricle) situat entre el trígon i l’hipotàlem, que comunica amb els anteriors per dos orificis laterals (forats de Monro) i continua amb l’aqüeducte de Silvi. Les cavitats ventriculars són ocupades pel líquid cefalorraquidi, format, en gran part, pels plexes coroides situats a l’interior dels ventricles laterals. El cervell té una irrigació molt rica i complexa. Les artèries més importants són les cerebrals anterior i mitjana (branques de la caròtide interna) i la cerebral posterior (branques de la vertebral). Aquestes artèries són en comunicació mútua per mitjà d’una sèrie d’artèries anastomòtiques que, a la base del crani, sota el cervell, constitueixen el polígon de Willis. La sang venosa és drenada per una sèrie de venes superficials i profundes que van a desembocar al si de la duramàter, directament o bé a través d’una important formació venosa (les venes de Galè) que recull la sang de la part profunda del cervell i la condueix al si recte. El cervell no té vasos limfàtics.
Tot i ésser moltíssimes les incògnites que planteja la fisiologia cerebral, en conjunt hom pot considerar que és l’òrgan més elevat on és elaborada la vida de relació (en els seus dos aspectes inseparables: motilitat i sensibilitat) i regulada la vida vegetativa, alhora que constitueix el punt d’inserció somàtica de la vida psíquica. El còrtex rep, d’una part, una sèrie d’informacions perifèriques conscients o inconscients, sensitives i sensorials que li permeten de regular les projeccions eferents de tipus motor, piramidals o no, que en interconnexió íntima amb els ganglis basals, el cerebel i la formació reticular del tronc cerebral, donaran lloc a impulsos que actuaran al mateix nivell de les unitats motores medul·lars. Però en el còrtex tenen lloc, a més, una sèrie de processos integratius que es tradueixen en la formació de la imatge corporal, en l’ús predominant d’un costat del cos (lateralitat manual, ocular, etc), en la realització d’un moviment de forma adequada a la seva finalitat (praxi) i en la formació del llenguatge i de la memòria. A partir de l’anomenat sistema límbic, el cervell intervé també activament en la vida instintiva i afectiva.
Les funcions cerebrals poden ésser alterades per causes molt diverses: malformacions congènites, que van des de la manca gairebé total de desenvolupament embrionari (anencefàlia), passant per les hidrocefàlies congènites i encefaloceles, fins a les alteracions localitzades de tipus quistós o atròfic consecutives a lesions intrauterines (en aquest grup de malalties els factors genètics poden tenir un paper molt important); traumes consecutius al part o bé per accidents posteriors; alteracions vasculars agudes o subagudes (hemorràgies, trombosis, embòlies) o bé de curs crònic i progressiu (arterioesclerosi cerebral); processos infecciosos (encefalitis) produïts més correntment per virus o bé per altres microorganismes que, de vegades, poden causar lesions no difuses sinó de tipus localitzat; parasitosis (quists hidatídics); encefalopaties metabòliques causades per la manca congènita d’un factor enzimàtic que hauria d’intervenir en el metabolisme d’un principi immediat; encefalopaties degeneratives; intoxicacions per tòxics inorgànics o bé orgànics; tumors de totes menes, primaris o metastàtics, entre els quals es destaquen els de la sèrie glial.
La utilització de tècniques de rastreig i d’imatge no invasives ha permès identificar àrees del cervell i xarxes neurals concretes implicades en tasques mentals específiques, com les xarxes dels records, els centres de decisió conscient o les zones on s’originen les respostes emotives. Estudis en què es compara la capacitat d’imaginar el futur en pacients amnèsics per lesions a l’hipocamp (una de les principals zones cerebrals de gestió dels records) respecte de persones no amnèsiques han demostrat que les zones que s’activen en imaginar el futur són les mateixes que en recordar el passat, la qual cosa suggereix que la memòria és necessària per a la imaginació. Respecte a la consciència, s’ha demostrat que l’activitat cerebral associada a la presa de decisions conscients es produeix una fracció de segon abans que es presenti la consciència d’haver-ho fet. És a dir, que aparentment la decisió fisiològica sorgeix del subconscient, i només quan ja ha estat formada es fa conscient. Aquesta activitat es detecta al còrtex prefrontal i parietal. D’altra banda, també s’ha relacionat l’orientació política de la persona amb diferències de funcionament d’un mecanisme cognitiu general relacionat amb l’autocontrol; així, sembla que el conservadorisme extrem es podria associar amb poca sensibilitat neurocognitiva respecte de la resolució de conflictes, una activitat cerebral que resideix en un grup concret de neurones. Respecte l’activitat cerebral associada amb les relacions de parella, s’ha demostrat que l’estimulació dels amors romàntic i maternal activa les regions del cervell comunes, i paral·lelament desactiva les xarxes neuronals encarregades del judici social i de l’avaluació de les persones; és a dir, suprimeix la capacitat crítica amb relació als éssers estimats, una situació que es reprodueix també en els models animals estudiats, especialment en mamífers socials i durant el període de cria. També s’han identificat gens concrets que intervenen en el funcionament cerebral. La majoria són gens que codifiquen neurotransmissors i els seus receptors, els quals condicionen molts aspectes del comportament. El gen de l’hormona serotonina, un neurotransmissor cerebral que es relaciona amb el comportament social i l’agressivitat, està implicat en el control de les reaccions temperamentals davant les injustícies, i una variant seva és responsable de l’ejaculació precoç. També s’ha demostrat l’existència de gens relacionats amb el comportament altruista en els humans, els quals actuen de la mateixa manera en altres espècies de mamífers amb vida social, com els gossos de les praderies americans.