人腦分為左右兩個大腦半球，二者由神經纖維構成的胼胝體相連。
人腦和其他哺乳動物的腦結構相似，但是容量卻很不尋常，和人類相同體型的哺乳動物的比較，人的大腦要大得多，智慧的當然代價是更多能量攝取需求，造成很大的生存壓力，許多人類物種因而滅絕，特別是人類在幼兒時期的大腦容量就與成人相似，不過根據考古發現人的腦容量依舊逐漸增大，對於現代人而言一天所吃下的能量有五分之一是由腦部消耗掉的，也導致了人類偏好採取熟食的消化為主。人類的大腦估計已經包含500-1000億個（1011）神經元，其中約100億個（1010）是皮質錐體細胞。這些細胞訊號傳遞到對方通過多達1,000,000,000,000,000（1015）突觸連線。
人腦的解剖學結構
人腦可以在形態學上分成下列結構：
* 大腦
 * 額葉
 * 頂葉
 * 枕葉
 * 顳葉
 * 島葉
* 小腦
 * 蚓部
 * 小腦半球
* 腦幹
 * 中腦
 * 橋腦
 * 延髓
* 間腦
 * 視丘
 * 下視丘
成人腦通常重達1～1.5千克，體積平均為1,600立方厘米。個人的智商與腦的重量間沒有必然的聯繫，而與細胞間連線的數目和有效性有關。
解剖
人腦佔頭蓋內腔的大部分。約佔成年人體重的2%即1.2～1.6公斤。人腦的重量男性比女性稍大，並與體重無關。腦含有約140億個神經細胞約佔腦細胞十分之一，剩餘的九成稱為膠質細胞。膠質細胞有為神經細胞提供營養，形成髓鞘增進傳導速度，等多種功能。人們常傳的「人腦有效使用的部分僅僅佔十分之一左右」的說法，即有可能是來自對膠質細胞機能沒有完全理解的時代的誤解，認為在腦中僅有神經細胞在起作用。
人腦可大體分為大腦、小腦和腦幹。大腦又分為端腦與間腦，腦幹又分為中腦、腦橋和延髓。這種區分法基於肉眼所見形態。實際上按照胚發生來講小腦是由腦幹分化而來，另外還有人建議，將關係生命維持的間腦劃歸腦幹。
人腦由三層結締組織膜，即軟膜、蛛網膜、硬膜覆蓋。軟膜與腦實體表面緊密附著，並與蛛網膜隔開較大的腔隙，稱為蛛網膜下隙（subarachnoid space）。蛛網膜下隙被腦脊液（cerebrospinal fluid, CSF）填充。硬膜與蛛網膜之間存在少許間隙，稱為硬膜下隙（subdural space），內含少量液體。
大腦
大腦嚴密意義上指端腦與間腦，但是在神經解剖學以外的領域，通常多用大腦一詞指代端腦。故在此若無特別註明，也將大腦指代端腦。
端腦有左右兩個大腦半球（端腦半球）。將兩個半球隔開的是稱為大腦縱隔的溝壑，兩個半球除了腦梁與透明中隔相連以外完全左右分開。半球表面佈滿腦溝，溝與溝之間所夾細長的部分稱為腦回。腦溝並非是在腦的成長過程中隨意形成，什麼形態出現在何處都完全有規律（其深度和彎曲度因人稍有差異）。每一條腦溝在解剖學上都有專有名稱（nomina anatomica）。腦溝與腦回的形態基本左右半球對稱，是對腦進行分葉和定位的重要標誌。比較重要的腦溝有外側溝（lateral sulcus）起於半球下面，行向後上方，至上外側面；中央溝（central sulcus）起於半球上綠中點稍後方，斜向前下方，下端與外側溝隔一腦回，上端延伸至半球內側面；頂枕溝（parieto occipital sulcus）位於半球內側面後部，自下向上。在外側溝上方和中央溝以前的部分為額葉；外側溝以下的部分為顳葉；枕葉位於半球后部，其前界在內側面為頂枕溝，在上外側面的界限是自頂枕溝至枕前切跡（在枕葉後端前方約4cm處）的連線；頂葉為外側溝上方、中央溝後方、枕葉以前的部分；島葉呈三角形島狀，位於外側溝深面，被額、頂、顳葉所掩蓋，與其他部分不同佈滿細小的淺溝（非腦溝）。
左右大腦半球有各自的稱為側腦室的腔隙。側腦室與間腦的第三腦室，以及小腦和延腦及腦橋之間的第四腦室之間有孔道連通。腦室中的脈絡叢產生腦的液體稱為腦脊液。腦脊液在各腦室與蛛網膜下腔之間循環，如果腦室的通道阻塞，腦室中的腦脊液積多，將形成腦積水。廣義的大腦的腦神經有，端腦出發的嗅神經，間腦出發的視神經。
大腦的斷面分為白質與灰白質。端腦的灰白質是指表層的數釐米厚的稱為大腦皮質的一層，大腦皮質是神經細胞聚集的部分，具有六層的構造，含有複雜的迴路是思考等活動的中樞。相對大腦皮質白質又稱為大腦髓質。
間腦由丘腦與下丘腦構成。丘腦與大腦皮質，腦幹，小腦，脊髓等聯絡，負責感覺的中繼，控制運動等。下丘腦與保持身體恒常性，控制自律神經系統，感情等相關。
海馬結構
海馬結構包括海馬和齒狀回。在大腦半球的底面中腦兩側，可見海馬迴。海馬迴的內側為海馬溝。而溝的上方即為鋸齒狀的齒狀回。從中腦往顳外側看，可見側腦室下角底壁有一弓形結構，則為海馬。
海馬目前被認為是學習記憶和遺忘的重要結構。本達·米勒有一位病人，被稱為H.M.。其海馬結構受損，導致病人出現前向健忘。即是病人能回憶受傷前的往事，卻記不住新學到的知識，而且這種遺忘的本身，也被病人所不知。
小腦
小腦位於腦幹的背側。通過上小腦腳、中小腦腳、下小腦腳等粗纖維束與腦幹相連。這三個部位緊密結合要將各自的纖維完全分開十分困難。小腦可分為的正中小腦蟲部、左右的小腦半球、尾側的小腦扁桃。小腦半球的表面同大腦半球存在腦溝和腦回一樣擁有小腦溝和小腦回，不過這較腦溝、腦回纖細，變異也很多。小腦半球的截面和大腦半球同樣，皮質是灰白質，髄質是白質。因為皮質較厚、髄質看似樹枝、所以小腦半球截面被稱作Aobor vitae（生命之樹、小腦活樹）。
腦幹
腦幹（brain stem）上接大腦、背靠小腦、尾側與脊髓相連、前側依次分為中腦、橋腦、延髓。小腦和腦幹所夾空間稱為第四腦室。
* 中腦分佈著上丘（參與視覚處理）、下丘（參與聽覺處理）、血清胺、多巴胺、正腎上腺素等神經核。中腦存在參與眼球運動以及視覺相關的各種神經核、發出視神經、動眼神經、滑車神經等腦神經。另外背側有貫通第三腦室和第四腦室的中腦水道。
* 橋腦呈鼓起的帶狀，與小腦連線。發出三叉神經、外轉神經、顏面神經、聽神經等腦神經。
* 延髓在腦橋和脊髓之間，是司控呼吸等和生命維持相関的植物機能的中樞。傳出舌咽神經、迷走神經、副神經、舌下神經。和呼吸、心臟的運動相關。
循環
人腦質量僅佔體重2%左右，但血液循環量占心排出量的20%，氧氣消費量佔全身的20%，葡萄糖的消耗量佔全身的25%。這是由於人腦中發生的複雜而活躍的電訊號的往來而引起的。這些需求由內頸動脈和椎骨動脈的血流提供。
腦的形成
腦來源於胚胎的外胚層（ectoderm）。
性別差
男性腦比女性更大更重。出生時由性別引發的差異幾乎沒有，男女皆為370～400克。成人男性約為1350～1500克、女性1200～1250克、約為體重的2％。另外，腦的大小不能成為智慧指標，與智慧高低沒有關係。
女性存在如月經這樣的身體週期性變動。也有人指出與此同時存在精神的週期性變動。支配這樣的週期的是從下垂體分泌出的卵胞刺激荷爾蒙和黃體形成荷爾蒙。
男性的腦不存在這樣的週期性。這被認為是胎生期從睪丸分泌的睪酮影響所造成的。
腦的研究
現在由精神醫學、神經醫學（神經內科）、資訊工程學、控制論與醫學影像來研究腦部的功能，我們已經得知腦部是一個產生意識、思想和情感的器官。
對在事故中受損的大腦的研究可以為不同區域的不同功能進行定義，例如視覺和聽覺的產生和加工處理。而腦部成像技術的出現使得科學家可以在不損害腦部的情況下對腦部進行研究。
中醫學理論
中醫上腦屬奇恒之府之一；由精髓彙集而成，又稱髓海；脊椎中的髓與腦相通，「故上至腦，下至尾骶，皆精髓升降之道路」（明李梴《醫學入門》）；《靈樞·海論》已記載髓海的充盈與不足，對肢體運動、聽力、視力和精神活動等都能發生影響；公元12世紀金朝醫家張潔古指出人的視覺、聽覺、嗅覺、感覺等都是腦的功能活動；此後明朝李時珍說：「腦為元神之府」（《本草綱目》辛夷條）；進一步闡明腦具有精神意識、思維活動等功能。