神经系统最复杂的工作取决于通过神经元发送的信息。神经元和神经胶质和它们的支持细胞一道组成了所有神经系统组织。它们快速接收和中继信息，将其作为电信号进行传输。神经元释放神经递质，这是一种让信息跳跃到下一个神经元或体细胞的化学物质。脊髓中专门的神经元形成神经束，从而加快往返大脑的信息传递。进一步阅读以更多了解这些“有生命的电线”细胞。
神经系统、脑、脊髓、周围神经和神经节的结构由神经组织构成。在细胞水平上，这种组织包含神经元和神经胶质。神经元是信息载体。它们传递感觉信号和运动命令。神经胶质细胞支撑神经元以及支持与环绕神经组织的其他结构。星形胶质细胞是脑中最常见的神经胶质细胞，其围绕着毛细血管，维持着血流和神经元之间的屏障，并主动控制通过该屏障的物质。其他神经胶质细胞还包括小胶质细胞、室管膜细胞和少突胶质细胞，可维持神经元稳态、清除病原体、循环脑脊液、保护神经元并影响其信号传导速度。
典型的神经元包含一个细胞体，后者有许多被称为树突的突触。由树突接收的信号影响细胞体的电荷，从而决定了动作电位的电势。细胞体去极化到足够水平后，轴丘区域启动传递到尾状轴突的动作电位。多数轴突都很短，但有些可长达3英尺。髓鞘保护轴突并提升其导电性（或信号速度）。电信号迅速顺行至轴突终端。然后终端分支释放神经递质，对其目标细胞（其他神经元、腺体、器官）产生兴奋或抑制作用。
长圆柱形的脊髓主要由轴突束组成，其向上和向下延伸，传递往返脑部的信号。在脊髓横截面中，轴突通路表现为环绕神经元细胞体“灰质”周围的“白质”（髓鞘使轴突变白）。白质在脊髓的每侧形成三条柱（索柱）：后柱（背柱）、前柱（腹柱）和侧柱。完全不同的神经束贯穿这三条柱。每条神经束均由承载相同类型同向信号的轴突构成。上行神经束将感觉输入向上传递至脑部。下行神经束将运动指令向下传递至身体。
当电信号到达神经元轴突终端时，它们刺激被称为神经递质的化学物质释放。神经递质穿过突触到达其他神经元或目标细胞，从而刺激或抑制信号和反应。乙酰胆碱、肾上腺素和降甲肾上腺素以及血清素是最常见的神经递质。一些神经递质会在神经系统的某些部位更加突出，这是因为它们专门在脑内或神经元与肌肉组织或其他类型的组织之间传递信息。这些化学物质是神经系统调节身体运动和内部功能的关键。
