L'encefalo è la parte più voluminosa e più importante del sistema nervoso centrale, in quanto centro motore dell'attività nervosa e sede delle facoltà intellettive. Comprende il cervello, il midollo allungato e il cervelletto. Esso è contenuto e protetto dalla scatola cranica: tra le ossa del cranio e la sua superficie sono interposte delle membrane protettive, le tre meningi, che avvolgono tutto l'organo e prendono il nome di dura madre, aracnoide e pia madre. Tra le meningi è contenuto un liquido, il liquor, che ha lo scopo di isolare e proteggere dalle pareti rigide circostanti le delicate strutture nervose.
Esternamente l'encefalo appare fondamentalmente costituito da due masse voluminose, gli emisferi cerebrali, dalla superficie ricca di solchi e scissure che li suddividono in lobi; internamente è formato da una sostanza grigia e da una sostanza bianca. La sostanza grigia è disposta perifericamente e costituisce la corteccia cerebrale, mentre quella bianca si trova al centro ed è costituita da fasci di fibre nervose e da nuclei di sostanza grigia, che sono importanti centri nervosi. La corteccia cerebrale non è funzionalmente omogenea, ma divisa in centri di localizzazione, ciascuno con compiti differenti. Esiste infatti una corteccia motoria, situata nel lobo frontale, che elabora e invia i segnali destinati a produrre i movimenti dei gruppi muscolari; e una corteccia sensitiva, che, disposta nel lobo parietale, raccoglie gli stimoli provenienti dalla periferia del nostro organismo.
I due emisferi cerebrali sono uniti da un grosso fascio di fibre nervose, il corpo calloso, che consentono a una informazione giunta all'emisfero sinistro di arrivare anche al destro e viceversa. I due emisferi non hanno infatti funzioni identiche, ma predominano uno sull'altro a seconda delle funzioni. L'emisfero sinistro, per esempio, è dominante sul destro nel linguaggio, nell'analisi dei dettagli, nel ragionamento simbolico e nell'analisi temporale. Il destro invece predomina per quello che riguarda la comprensione degli schemi spaziali, nell'esecuzione dei disegni geometrici, nel riconoscimento dei volti e nel senso musicale.
Nell'encefalo sono presenti due regioni, le cui funzioni risultano fondamentali per il nostro organismo: il talamo e l'ipotalamo, posti entrambi di sotto al cervello. Il primo, costituito da sostanza grigia e contenente numerosi centri nervosi, è un importante centro di collegamento del sistema sensitivo. Il secondo contiene centri nervosi che regolano la vita vegetativa dell'organismo, come la temperatura, la fame e il sonno. L'ipotalamo è poi direttamente connesso con la ghiandola ipofisi, che secerne ormoni destinati a regolare l'attività di altre ghiandole e di organi come il rene.
Dall'encefalo si diramano i centri di origine (motori) e di terminazione (sensitivi) i dei nervi cranici, che fanno parte del sistema nervoso periferico. Alcuni di essi hanno grandi estensioni come il nervo vago, che partecipa all'innervazione dell'apparato digerente, respiratorio e del cuore, altri sono destinati agli organi di senso, come l'olfattivo e l'ottico.
Al cervello sono connessi il ponte, il midollo allungato e il cervelletto.
Il primo è una voluminosa formazione quadrangolare percorsa da fasci di fibre nervose che lo collegano al cervelletto; è costituito da sostanza grigia da cui si originano tre nervi cranici. Il midollo allungato è situato tra l'encefalo e il midollo spinale, a cui è simile per funzioni e caratteristiche. Da esso si originano otto nervi cranici. Il cervelletto si trova tra i lobi posteriori e il ponte ed è il centro di regolazione e coordinazione dei movimenti, dell'equilibrio e del tono muscolare.
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