围神经系统和交感神经系统组成，结构复杂。头足纲被认为是最聪明的无嵴椎动物，因为牠们有高度发展的知觉和较大的脑。牠们的脑比腹足纲和双壳纲都来的大。除了鹦鹉螺之外，头足纲的表皮拥有一种特殊的色素细胞（chromatophore），使他们能够经由变色来进行沟通和伪装。有研究显示一只章鱼的智力有如五岁的孩童，能够进行开罐、玩积木等较复杂的动作。此外头足纲的神经系统是无嵴椎动物之中最为复杂的，在外套膜（mantle）中庞大的神经纤维成为神经生理学常用的实验材料。头足纲的视觉敏锐，实验证明普通的章鱼能够辨识