Podstawową formą działania układu nerwowego jest odruch. Jest to reakcja organizmu na bodziec, która zachodzi przy udziale układu nerwowego.
Strukturalnym podłożem odruchu jest łuk odruchowy. Łuk odruchowy stanowi drogę, jaką pokonuje impuls nerwowy od receptora do efektora. Receptory umożliwiają odbiór sygnału. Efektorami, czyli narządami wykonawczymi, są komórki mięśniowe i gruczołowe.
Łuk odruchowy składa się z pięciu elementów: receptora, drogi dośrodkowej (czuciowej), ośrodka nerwowego, drogi odśrodkowej (ruchowej), efektora. Stopień złożoności łuku odruchowego może być różny. Najprostszy składa się z neuronu czuciowego i ruchowego, połączonych jedną synapsą w ośrodku nerwowym (odruch monosynaptyczny – np. odruch kolanowy). W bardziej złożonych łukach odruchowych między neuronami czuciowymi znajduje się jeden lub więcej neuronów pośredniczących (odruch polisynaptyczny – np. odruch zginania kończyny pod wpływem bólu). Niekiedy neurony czuciowe przesyłają też drogami nerwowymi informacje do ośrodków nadrzędnych.
Odruchy mogą być bezwarunkowe i warunkowe.
Odruchy bezwarunkowe są wrodzone. Zachodzą automatycznie, bardzo szybko, bez udziału świadomości. Łuki odruchowe, które umożliwiają ich przebieg, są zdeterminowane genetycznie. Zatem przez całe życie są niezmienne. Odruchami bezwarunkowymi są reakcje warunkujące przeżycie organizmu, w tym także obronę, np. odruch ssania, zwężanie źrenicy pod wpływem światła, cofanie ręki po ukłuciu. Umożliwiają też zachowania instynktowne. Związane są z ośrodkami rdzenia kręgowego oraz ośrodkami podkorowymi mózgu i określane jako niższe czynności nerwowe.
Odruchy warunkowe są nabyte podczas życia osobniczego. Powstają w wyniku kojarzenia bodźców (bodźca wywołującego reakcję z bodźcem obojętnym). Zatem powstają na bazie odruchów bezwarunkowych, np. wydzielanie śliny na myśl o posiłku. Wymagają jednak ciągłego podtrzymywania, gdyż inaczej zanikają. Związane są z działaniem kory mózgowej i innych struktur mózgu. Stanowią podstawę wyższych czynności nerwowych. Warunkują uczenie się. Podstawą uczenia się jest zapamiętywanie. Wyróżnia się pamięć krótkotrwałą, która wykorzystywana jest do zapamiętywania informacji podczas wykonywania danego działania oraz pamięć długotrwałą, umożliwiającą zapamiętywanie informacji przez długi czas i stanowiącą trwały magazyn zakodowanych śladów pamięci. Do pamięci długotrwałej zostaje wprowadzona tylko część danych przechowywanych przez pamięć krótkotrwałą, po ich wcześniejszej selekcji.
Wyższe czynności nerwowe są związane z korą mózgową. W każdym z ośrodków kory znajdują się grupy bardzo wąsko wyspecjalizowanych neuronów, odbierające ściśle określone informacje, np. o danym wrażeniu. Dzięki ogromnej liczbie synaps informacje te są przekazywane do komórek kojarzeniowych, gdzie są porównywane i scalane w jedną całość. Z kolei zespolenie różnych, niezależnie od siebie działających bodźców w jedno pobudzenie umożliwia wygenerowanie w korze nowej jakościowo odpowiedzi, różnej od odpowiedzi, jaka powstałaby po zadziałaniu tylko jednego bodźca. Złożone czynności (np. myślenie abstrakcyjne, zdolność porozumiewania się, hamowania emocji) powstają dzięki współdziałaniu wielu ośrodków tworzących w obrębie kory tzw. pola kojarzeniowe.
Układ nerwowy warunkuje też procesy psychiczne zwane emocjami, których powstanie związane jest z oceną oraz określeniem znaczenia, jakie dla danego osobnika mają określone przedmioty, zjawiska, inni ludzie, a także jego własna osoba. Za emocje odpowiadają różne struktury korowe i podkorowe mózgu. Istotną rolę w regulacji zachowań emocjonalnych odgrywa tzw. układ limbiczny (obejmujący m.in. węchomózgowie, hipokamp i ciało migdałowate), który integruje czynności struktur korowych z procesami neuroendokrynnymi warunkowanymi przez podwzgórze i czynnością autonomicznego układu nerwowego.
Do zaburzeń w funkcjonowaniu układu nerwowego należą choroby neurologiczne oraz choroby psychiczne. Choroby neurologiczne uwarunkowane są zmianami w pracy określonych struktur układu nerwowego o różnym podłożu (np. padaczka, stwardnienie rozsiane, choroby: Parkinsona, Alzheimera, Huntingtona, Creutzfeldta-Jacoba). Choroby psychiczne nie mają określonego podłoża czynnościowego (np. depresje, psychozy, schizofrenia).