האוזן הפנימית חצובה בגולגולת והיא נמצאת פנימה לעצם הארכוף. באוזן הפנימית מצוי מבנה מסולסל הנקרא שבלול האוזן יחד עם מבנה אחר האחראי על שיווי המשקל. שבלול האוזן מלא נוזל בעל תכונות כימיות מיוחדות השונות מהנוזל החוץ תאי בשאר רקמות הגוף. לשבלול שלושה מדורים המהווים יחד שלוש תעלות שרצות בצורת ספירלה: מַעֲלַת הַפְּרוֹזְדוֹר "scala vestibuli", מעלת האמצע "scala media" ומַעֲלַת הַתֹּף "scala timpany". במעלת התוף ומעלת הפרוזדור נע נוזל בשם פרילימפה, ואילו במעלת האמצע נע נוזל בשם אנדולימפה.
כאשר עצם הארכוף רוטטת היא פוגעת בחלון הסגלגל ודוחפת את הנוזל שבשבלול. הנוזל נע ראשית במעלת הפרוזדור, מתקדם אל עבר מעלת התוף, ושם מרטיט את החלון העגול. נהוג להתייחס לשבלול כבעל ציר בעל שני קטבים שרץ לאורך הספירלה. קוטבו הבזאלי (הבסיס) מתחיל בחלון הסגלגל, וקוטבו האפיקלי (הקודקוד) נמצא בקצה השבלול. לו היו פורמים את גלגול השבלול לצינור עם שלוש תעלות פנימיות, היה הצד האפיקלי קצה הצינור שנוצר מהפרימה. בין מעלת התוף לבין מעלת האמצע ישנו קרום הנקרא הקרום הבזילרי, ובין מעלת הפרוזדור למעלת האמצע נמצא קרום רייזנר המחובר לקרום הטקטוריאלי. כאשר הנוזל נע בתעלות הפרוזדור והתוף שבשבלול הוא מעוות את הקרום הבזילרי בקצב מסוים ובמקומות ספציפיים. בין הקרומים נמצא איבר קורטי המשמש כיחידה בה מותמר הקלט השמיעתי לעבר אות חשמלי.
איבר קורטי.
בתוך מעלת האמצע בשבלול האוזן נמצא איבר התמרת השמע, איבר קורטי . איבר קורטי מורכב מהקרום הבזילרי, מהקרום הטקטוריאלי, מתאי דייטר המתפקדים כתאי תמך ומתאי שערה המתפקדים כתאי חישה. תאי חישה אלו הם בעלי שלוחות הקרויות "ריסים (cilium)" העשויות מאקטין ומיוזין היוצאות מגוף התא הדומות לשערות קטנות ומכאן שמו. לתאים אלו סינפסות עם שלוחות של תאי גנגליון דו–קוטביים השייכים לגנגליון בשם הגנגליון הספירלי.
התנודות של מרכיבי האוזן התיכונה מועברות אל הנוזל שמקיף את איבר קורטי, וגורמות להזזת הממברנה הטקטוריאלית ביחס לממברנה הבזילרית. תזוזה זו מזיזה את השערות הנמצאות על תא השערה. שערות אלו מחוברות זו לזו במין חוטים הנקראים Tip Link המחוברים אל תעלות יוניות. כאשר ישנה תזוזה בין תאי השערה ה-Tip Link נמתח ובכך הוא גורם לפתיחה מכנית של התעלות היוניות. פתיחת התעלות היוניות גורמות לכניסה של יוני אשלגן ויוני סידן אשר נמצאים בריכוז גבוה בסביבה החוץ תאית של השבלול ובכך משנות את פוטנציאל הממברנה של התאים. שינוי פוטנציאל הממברנה גורם לשחרור וסיקולות אל קולטנים בתאים הביפולארים של הגנגליון הספיראלי.
ישנם שני סוגי תאי שערה, בין 12,000 ל-15,000 תאי שערה חיצוניים וכ-3500 תאי שערה פנימיים. תאי השערה הפנימיים הם אלו אשר מעבירים את רוב המידע החושי אל מערכת העצבים המרכזית. לעומתם תאי השערה החיצוניים באמצעות תאי דייטר משנים את האופן בו הממברנה הבזילרית זזה. בכך הם משפיעים על המידע הנקלט בתאי השערה הפנימיים, ועוזרים בהגברת קלט חלש.
התמרה חושית של הגירוי השמיעתי.
שינויים בקלט החושי משנים את מקדם החדירות לתעלות יוניות הנמצאות על הקצה החיצוני של תאי השערה ובהתאמה לכך את דפוס הדחפים העצביים המועברים אל מערכת העצבים המרכזית. ככל שהמוליכות יותר גבוהה כך קצב ירי פוטנציאלי הפעולה בתאים הדי פולאריים עולה.
קידוד תדר הצליל.
זיהוי התדר של צלילים מתבצע עוד בשבלול ומתחלק לשני אופנים מרכזיים: על ידי זמן, ועל ידי מקום.
קידוד על פי תדירות הרעידות של הקצה הקודקודי.
מתחת ל-200 הרץ הקרום הבזילרי אינו מפגין הבחנה בין תדרים שונים על פי מיקום הרעידה המקסימלית. במקרים אלו ההבחנה בין תדרים שונים נעשית על פי תדירות הרעידות על הקצה הקודקודי (אפיקלי). ככל שהרעידות הן בתדר גבוה יותר, כך הצליל הנתפס הוא יותר גבוה.
קידוד על פי מרחק מהחלון הסגלגל.
שוני בגמישות הקרום הבזילרי וברוחבו לאורך השבלול מסייע לפרק את צלילי הסביבה לתדרים: ככל שמתרחקים מהצד הבסיסי (בזאלי) של השבלול אל עבר קודקוד השבלול, כך התדר בו הממברנה תרעד בצורה מקסימלית נמוך יותר. ככל שהרעד רב יותר, כך נפתחות יותר תעלות יוניות, משתחרר יותר מוליך עצבי, ותדר פוטנציאלי הפעולה שיורה הנוירון הבי-פולארי עולה.
קידוד עוצמת הצליל.
בתדרים היורדים עד ל-200 הרץ עוצמת הצליל מזוהה על ידי תדירות הירי. הרעדה חזקה יותר של עור התוף ועצמות השמע גוררת הרעדה חזקה יותר של הקרום הבזילרי, שבתורו מכופף את תאי השערה ופותח יותר את התעלות היוניות. פתיחת התעלות גורמות לשחרור מוגבר של מוליכים עצביים, אשר בתורם מגבירים את קצב הירי בתאי העצב הספירליים. כאשר התדרים יורדים מתחת ל-200 הרץ, קידוד עוצמת הקול מתבצע על ידי כמות הנוירונים היורים בו זמנית. ככל שהעוצמה חזקה יותר כך יותר נוירונים יורים. יחד עם הסבר זה ישנם גורמים נוספים המשפיעים על העוצמה הנתפשת של הגירוי המושמע כדוגמת משך זמן ההשמעה, והאם הוא נשמע בשתי האוזניים או באוזן אחת. נראה כי בטווח הזמנים של עד 200 מילישניות ככל שזמן השמעת הצליל גדול יותר כך גדלה עוצמת הצליל הנתפסת. כמו כן, כאשר הצליל מושמע בשתי האוזנים העוצמה נתפשת כגדולה יותר מאשר אותו הגירוי המושמע לאוזן אחת.
קידוד מיקום הצליל.
תפיסת מיקום הצליל ביחס למיקום האורגניזם היא משימה מורכבת ומתרחשת, לפחות בחלקה, בגזע המוח בגרעינים הנקראים MSO ו-LSO. מבחינת המידע המשמש לזיהוי מקור הצליל ידוע כי נעשה שימוש בהפרשי פאזות של הגל הנקלט בין שתי האוזניים, בהפרשי עוצמה מזעריים בין שתי האוזניים ובהשתנות גלי הקול בעת פגיעתם באפרכסת.
מחקרים שמדדו את הזווית הקריטית המינימלית שבה בני אדם וקופים תופסים צלילם מצאו שהיא עומדת על מעלה אחת או על ארבע מעלות בהתאמה כאשר מופנה קשב למשימה.
מעגלי המוח.
בעיבוד מקור הצליל מעורבים שני גרעים בגזע המוח הנקראים הגרעין הזיתי האמצעי-עליון (MSO) והגרעין הזיתי הצידי-עליון (LSO). התאים ב-MSO מקבלים מקבלים את המידע כאות מאקטב משתי האוזניים, ומתבצע בו חישוב של הפרש הזמנים של האות הנקלט באוזן אחת אל מול האוזן השנייה. בתא הנמצא באמצע, בין צד ימין לשמאל ככל שההפרש של הזמנים של האות המגיע מהאוזניים יותר קטן כך התא יירה יותר. תאים הקרובים יותר לצד מסוים יירו הכי הרבה אם יש הפרש זמנים בין האותות. לעומת זאת ב-LSO הקלט הוא מצד אחד מאקטב ומצד אחר מחליש. בגרעין זה מבוצע חישוב של הפרשי העוצמות בין האוזניים.
קידוד גובה הצליל.
גובה-הצליל (pitch) הוא גובה הצליל הנתפס בדעת, אשר מתבסס על זיהוי התדר היסודי של גל הקול שנקלט במערכת השמע. תדר זה מוגדר כהופכי לזמן המחזור של גל הקול שנקלט.
גל ניתן לפירוק, על ידי שיטה מתמטית בשם התמרת פורייה, לסדרה של גלים סינוסידיאלים. התדרים של גלים אלו אשר שונים מתדירות בעלת מאפיינים פיזיקליים ייחודיים הנקראת תדירות יסודית נקראים תדרים עילאיים. התדרים העילאיים הם אלו אשר מעניקים את הגון (timber) לצליל, ומפרידים בין צלילים בעלי אותו גובה המושמעים מכלי נגינה שונים. פירוק דומה להתמרת פורייה נעשה בצורה מכנית בתוך השבלול על פי מרחק ועל פי פאזה כפי שמתואר לעיל בפסקת "קידוד תדר הצליל". כאשר גל הקול שנקלט אינו מכיל את התדר היסודי, מערכת השמיעה יודעת לפענח על סמך התדרים העילאיים את התדר היסודי שיכול היה להיות, והצליל שייתפס הוא הצליל המתאים לתדר יסודי זה. יכולת זו נצפתה אף אם התדרים העילאיים המושמעים שונים בכל אחת מהאוזניים, ומתמטית חילוץ התדר היסודי נדרש על ידי שילוב מידע של שתי האוזניים. בנוסף לזאת נמצא כי היכולת לתפוס את גובה הצליל, אף כשאין בנמצא תדר יסודי, אינה ייחודית לבני אדם, והיא נצפתה גם אצל חיות כמו קופים, ציפורים וחתולים.
המסלול העצבי של השמע.
לאחר ההתמרה בשבלול הקלט החושי עובר אל עצב השמיעה ושיווי המשקל (CN VIII) דרך הגנגליון הספירלי. עצב השמיעה מכיל אוכלוסייה הטרוגנית של תאים, המציגים תכונות חישתיות שונות. חלק מהתאים מגיבים רק לצלילים מורכבים, אחרים רק לטהורים. בנוסף יש כאלה אשר מגיבים רק לצלילים מאוד קצרים או לחלופין מגיבים לקשת גדולה של צלילים מסוגים שונים. אוכלוסיות תאים אחת השוכנת בעצב השמיעה היא של תאים מכוונים. תאים אלה מגיבים למנעד של תדירויות, אך במיוחד לתדר ספציפי. כלומר, סף התגובה לירי פוטנציאל פעולה בתדר ספציפי זה יהיה נמוך מסף התגובה לירי פוטנציאל פעולה בכל תדר אחר עבור אותם תאים. עם זאת אין הדבר אומר כי תדרים אחרים אינם יכולים להביא לירי. אלא צריך בתדרים אלה גירוי בעוצמה גדולה יותר כדי להגיע לאותו ירי המופק מגירוי חלש בתדר הספציפי. בעיקרו מקור סלקטיביות זו מצוי בסלקטיביות הממברנה הבזילרית לתדרים שונים במקומות שונים. אך במחקרים נמצא כי אוכלוסיית תאי עצב השמיעה המכוונים מציגים סלקטיביות גבוהה מזו המסופקת באמצעות הממברנה הבזילרית. דבר המוסבר על ידי שינויים אקטיביים של רכיבים נוספים באיבר קורטי.