Le développement du système nerveux commence tôt dans le développement embryonnaire. La couche externe de l'embryon, l'ectoderme, donne naissance à la peau et au système nerveux. Une région spécialisée de cette couche, le neuroectoderme, devient une gouttière qui se replie et devient le tube neural sous la surface dorsale de l'embryon. L'extrémité antérieure du tube neural se développe pour former le cerveau, et la région postérieure devient la moelle épinière. Les tissus aux bords de la gouttière neurale, lorsqu'elle se referme, sont appelés la crête neurale et migrent à travers l'embryon pour donner naissance à des structures du SNP ainsi qu'à certains tissus non nerveux.

Le cerveau se développe à partir de cette structure tubulaire précoce et donne naissance à des régions spécifiques du cerveau adulte. À mesure que le tube neural croît et se différencie, il s'élargit en trois vésicules qui correspondent aux régions du prosencéphale, du mésencéphale et du rhombencéphale du cerveau adulte. Plus tard dans le développement, deux de ces trois vésicules se différencient davantage, ce qui donne cinq vésicules. Ces cinq vésicules peuvent être alignées avec les quatre régions principales du cerveau adulte. Le cerveau est formé directement à partir du télencéphale. Le diencéphale est la seule région qui conserve son nom embryonnaire. Le mésencéphale, le métencéphale et le myélencéphale deviennent le tronc cérébral. Le cervelet se développe également à partir du métencéphale et constitue une région distincte du cerveau adulte.

La moelle épinière se développe à partir du reste du tube neural et conserve la structure tubulaire, le tissu nerveux s'épaississant et le centre creux devenant un très petit canal central traversant la moelle. Le reste du centre creux du tube neural correspond aux espaces ouverts à l'intérieur du cerveau appelés les ventricules, où se trouve le liquide cérébrospinal.

Le cerveau adulte est divisé en quatre régions principales : le cerveau, le diencéphale, le tronc cérébral et le cervelet. Le cerveau est la partie la plus grande et contient le cortex cérébral et les noyaux sous-corticaux. Il est divisé en deux moitiés par la fissure longitudinale.

Le cortex est divisé en lobes frontal, pariétal, temporal et occipital. Le lobe frontal est responsable des fonctions motrices, de la planification des mouvements à l'exécution des commandes à envoyer à la moelle épinière et à la périphérie. La partie la plus antérieure du lobe frontal est le cortex préfrontal, qui est associé à des aspects de la personnalité par son influence sur les réponses motrices dans la prise de décision.

Les autres lobes sont responsables des fonctions sensorielles. Le lobe pariétal est le lieu de traitement de la somatosensation. Le lobe occipital est le lieu où commence le traitement visuel, bien que les autres parties du cerveau puissent contribuer à la fonction visuelle. Le lobe temporal contient l'aire corticale pour le traitement auditif, mais possède également des régions cruciales pour la formation de la mémoire.

Les noyaux situés sous le cortex cérébral, connus sous le nom de noyaux sous-corticaux, sont responsables de l'augmentation des fonctions corticales. Les noyaux gris centraux reçoivent des informations des aires corticales et les comparent à l'état général de l'individu par l'activité d'un noyau libérant de la dopamine. La sortie influence l'activité d'une partie du thalamus qui peut alors augmenter ou diminuer l'activité corticale, ce qui entraîne souvent des modifications des commandes motrices. Le prosencéphale basal est responsable de la modulation de l'activité corticale dans l'attention et la mémoire. Le système limbique comprend des noyaux cérébraux profonds qui sont responsables de l'émotion et de la mémoire.

Le diencéphale comprend le thalamus et l'hypothalamus, ainsi que d'autres structures. Le thalamus est un relais entre le cerveau et le reste du système nerveux. L'hypothalamus coordonne les fonctions homéostatiques par le biais des systèmes autonome et endocrinien.

Le tronc cérébral est composé du mésencéphale, du pont et de le bulbe rachidien. Il contrôle la région de la tête et du cou du corps par l'intermédiaire des nerfs crâniens. Il existe des centres de contrôle dans le tronc cérébral qui régulent les systèmes cardiovasculaire et respiratoire.

Le cervelet est connecté au tronc cérébral, principalement au niveau du pont, où il reçoit une copie de l'entrée descendante du cerveau vers la moelle épinière. Il peut comparer cela avec l'entrée de rétroaction sensorielle via le bulbe rachidien et envoyer une sortie via le mésencéphale qui peut corriger les commandes motrices pour la coordination.

Le SNC dispose d'un apport sanguin privilégié établi par la barrière hémato-encéphalique. L'établissement de cette barrière repose sur des structures anatomiques qui aident à protéger et à isoler le SNC. Le sang artériel destiné au cerveau provient des artères carotides internes et des artères vertébrales, qui contribuent toutes deux au polygone de Willis unique qui assure une perfusion constante du cerveau même si l'un des vaisseaux sanguins est bloqué ou rétréci. Ce sang est finalement filtré pour former un milieu distinct, le LCR, qui circule dans les espaces du cerveau puis dans l'espace environnant défini par les méninges, la couverture protectrice du cerveau et de la moelle épinière.

Le sang qui nourrit le cerveau et la moelle épinière se trouve derrière la barrière hémato-encéphalique renforcée par les cellules gliales, qui limite l'échange de substances entre les vaisseaux sanguins et le liquide interstitiel du tissu nerveux. Ainsi, les déchets métaboliques sont collectés dans le liquide cérébrospinal qui circule à travers le SNC. Ce liquide est produit par filtration du sang au niveau des plexus choroïdes dans les quatre ventricules du cerveau. Il circule ensuite à travers les ventricules et dans l'espace sous-arachnoïdien, entre la pie-mère et l'arachnoïde. À partir des granulations arachnoïdiennes, le LCR est réabsorbé dans le sang, éliminant les déchets du tissu nerveux central privilégié.

Le sang, maintenant avec le LCR réabsorbé, s'écoule du crâne par les sinus duraux. La dure-mère est la dure enveloppe externe du SNC, qui est ancrée à la surface interne des cavités crânienne et vertébrale. Elle entoure l'espace veineux connu sous le nom de sinus duraux, qui se connectent aux veines jugulaires, où le sang s'écoule de la tête et du cou.

Le SNP est composé de groupes de neurones (ganglions) et de faisceaux d'axones (nerfs) qui se trouvent en dehors du cerveau et de la moelle épinière. Les ganglions sont de deux types, sensoriels ou autonomes. Les ganglions sensoriels contiennent des neurones sensoriels unipolaires et se trouvent sur la racine dorsale de tous les nerfs spinaux ainsi qu'associés à de nombreux nerfs crâniens. Les ganglions autonomes se trouvent dans la chaîne sympathique, les ganglions paravertébraux ou prévertébraux associés, ou dans les ganglions terminaux près ou à l'intérieur des organes contrôlés par le système nerveux autonome.

Les nerfs sont classés comme nerfs crâniens ou nerfs spinaux en fonction de leur connexion au cerveau ou à la moelle épinière, respectivement. Les douze nerfs crâniens peuvent être strictement sensoriels en fonction, strictement moteurs en fonction, ou une combinaison des deux fonctions. Les fibres sensorielles sont des axones de ganglions sensoriels qui transportent des informations sensorielles vers le cerveau et ciblent les noyaux sensoriels. Les fibres motrices sont des axones de motoneurones dans les noyaux moteurs du tronc cérébral et ciblent les muscles squelettiques de la tête et du cou. Les nerfs spinaux sont tous des nerfs mixtes avec des fibres sensorielles et motrices. Les nerfs spinaux émergent de la moelle épinière et se réorganisent à travers des plexus, qui donnent ensuite naissance aux nerfs systémiques. Les nerfs spinaux thoraciques ne font partie d'aucun plexus, mais donnent directement naissance aux nerfs intercostaux.