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亮度、形状、大小还有物体的垂直和水平方向。头足纲的眼睛更能够感应光线的偏振平面。令人惊讶的是，这些能够变色