La cellule nerveuse (appelée neurone) est l'unité fonctionnelle du cerveau. Chaque cellule est équipée pour recevoir l'information (par ses dendrites), l'intégrer (dans le corps cellulaire) et la transmettre (par son axone).

Le cerveau contient des milliards de neurones regroupés en réseaux remplissant différentes fonctions (perception, apprentissage, mémoire, motricité, ...).

Comme dans toute cellule, une membrane délimite l'intérieur et l'extérieur du neurone et un noyau (lui-même délimité par une membrane) contient le matériel génétique (ADN).

- Les dendrites qui se divisent comme les branches d'un arbre, recueillent l'information et l'acheminent vers le corps de la cellule.

- Le corps cellulaire contient le noyau et divers organelles. Le noyau contient le matériel génétique de la cellule et contrôle une grande partie des activités de la cellule. Divers organelles exécutent des tâches spécifiques.

- L'axone est un prolongement unique qui part du corps cellulaire et se termine, à une distance plus ou moins éloignée de celui-ci, en une arborisation terminale qui établit des contacts avec les cellules cibles. L'axone est entouré d'une gaine de myéline qui agit comme isolant et facilite la transmission de l'influx nerveux.

La zone de communication entre deux cellules nerveuses, c'est-à-dire entre une terminaison d'un axone et une dendrite, est appelée synapse.

L'arrivée d'un influx nerveux à une synapse provoque la libération en dehors de la cellule de neurotransmetteurs qui sont captés par des récepteurs de la cellule cible qui, en réponse, sera activée ou inhibée. Des exemples de neurotransmetteurs sont la sérotonine, la dopamine, l'adrénaline, l'acétylcholine, le glutamate, le GABA, l'endomorphine…

Le rôle fonctionnel d'un neurone est lié aux circuits auxquels il participe.

D'autres cellules du cerveau sont les cellules gliales.