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, które następnie łączą się ze sobą poprzecznie. Układ taki, zwany drabinkowym, jest charakterystyczny np. dla wielu pierścienic i stawonogów. U niektórych pierścienic, a zwłaszcza stawonogów, dochodzi do stopniowego zbliżania się zwojów, w wyniku czego powstaje układ łańcuszkowy. Efektem dalszego zlewania się zwojów jest ukształtowanie się ze zwojów mózgowych mózgu, który pojawia się u owadów. U głowonogów mózg osiąga jeszcze wyższy poziom rozwoju. Tworzy się także pień nerwowy z połączenia pozostałych zwojów.
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 określany jako mózgowie 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 zmysłów: 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.