בחלוקה גסה, רקמת המוח נחלקת לשני סוגים עיקריים - החומר האפור מכיל ריכוזים של גופי תאי עצב, ואילו החומר הלבן מורכב ברובו מאקסונים המחברים בין האזורים השונים של חומר אפור במוח.
מלבד הרקמה התאית, המוח מכיל גם מערכת של חללים הנקראים חדרי המוח. חללים אלו מלאים בנוזל מוחי שדרתי, אשר נמצא גם בין קרומי המוח ובתעלת חוט השדרה.
חלוקה להמיספרות ולאונות.
חתך אורכי חוצה את המוח הגדול במרכזו ומחלק אותו לשתי המיספירות, הימנית והשמאלית. ההמיספרות מקושרות ביניהן באמצעות אזור של חומר לבן המכונה כפיס המוח (Corpus Callosum), אשר מכיל צרורות של אקסונים החוצים בין שני צדי המוח.
המבנה של המוח הוא סימטרי ברובו, ואזורים מקבילים בשתי ההמיספרות לרוב אחראים על אותם תפקידים ומערכות. עם זאת, האנטומיה והקישוריות בתוך שתי ההמיספרות אינה זהה, וקיימת התמחות של כל המיספרה לתפקודים מסוימים, באופן שגם עשוי להשתנות מאדם לאדם. ההמיספרה השמאלית לרוב דומיננטית בפונקציות הקשורות לשפה, והימנית לרוב דומיננטית בהקשר של תפיסה מרחבית. עם זאת, חלוקה זו אינה נכונה לכלל האוכלוסייה, ובכל מקרה מדובר בהתמחות של המיספרה מסוימת ולא בהפרדה מוחלטת של התפקודים המוחיים בין ההמיספרות.
רוב מערכות החוש והשליטה המוטורית במוח פועלות בצורה קונטרלטרלית, כלומר כך שצדו האחד של המוח אחראי על הצד הנגדי של הגוף. כך לדוגמה, האזורים המוטוריים בהמיספרה הימנית שולטים על שרירים בצדו השמאלי של הגוף, וקלט שמגיע מחלקו הימני של שדה הראייה עובר עיבוד בהמיספרה השמאלית של קליפת המוח.
המבנה הבולט ביותר במוח הגדול הוא קליפת המוח, המכסה את כל שכבתו החיצונית. זוהי רקמה מפותלת של חומר אפור, המשופעת בשקעים ובליטות שמגדילים באופן ניכר את שטח הפנים שלה. קליפת המוח שולטת על הפעלתם הרצונית של השרירים, והיא זו שאחראית על עיבוד ואינטגרציה מתקדמים של המידע המגיע מהחושים.
נהוג לחלק את קליפת המוח לארבע אונות:
מבנים בעומק המוח הגדול.
ההיפוקמפוס והאמיגדלה, יחד עם אזורים נוספים מתחת לקליפת המוח, לעיתים מקובצים תחת הכותרת המערכת הלימבית, אם כי אין הגדרה אחת מוסכמת למושג זה.
גזע המוח והמוח הקטן.
גזע המוח מורכב משלושה חלקים האחראים לתפקודים פיזיולוגיים בסיסיים ומרכזיים של הגוף: המוח האמצעי, הפונס והמוח המוארך. המוח האחורי הוא שמם המשותף של הפונס והמוח המוארך.
המוח הקטן (צרבלום) דומה במבנהו למוח הגדול. הוא מחולק לשתי המיספרות ומכוסה בקליפת מוח דקה ובעלת קפלים רבים. מתחת לקליפה ישנו אזור של חומר לבן ובתוכו ארבעה גרעינים עמוקים של חומר אפור. הצרבלום ממלא תפקיד חשוב בשליטה על דיוק וקואורדינציה של תנועות מוטוריות.
קרומי המוח והנוזל המוחי שדרתי.
אחרי העור והגולגולת מגנות על המוח עוד שלוש שכבות של קרומי מוח - הקרום הקשה (Dura mater), הקרום העכבישי (Arachnoid mater) והקרום העדין (Pia mater). כפי ששמם מעיד, הקרומים עשויים מסוגי רקמה שונים - החל מרקמת חיבור צפופה ועד לרקמה עדינה שעוקבת אחרי כל הקפלים של קליפת המוח.
הקרום הקשה מפריד בין שני חצאי המוח הגדול - ההמיספרות (Falx Cerebri). חלק הקרום קשה המפריד בין המוח הגדול והקטן הוא בצורת אוהל ונקרא לכן "טנטוריום" (Tentorium Cerebelli).
בין הקרום העכבישי לקרום העדין נמצא מבנה ספוגי בשם 'החלל התת־עכבישי'. חלל זה מלא בנוזל המכונה הנוזל המוחי שדרתי (CSF). הנוזל ממלא גם מערכת של ארבעה חללים בתוך המוח, המכונים חדרי המוח.
העובדה שהמוח צף בתוך נוזל מקטינה באופן ניכר את משקלו האפקטיבי, ובכך מאפשרת לו לשאת את משקלו העצמי ומורידה את הלחץ מבסיס המוח. כמו כן, הנוזל המוחי שדרתי עוזר לייצב את המוח ולהגן עליו מפני זעזועים, ודרכו נשטפת הפסולת המטבולית של מערכת העצבים.
מערכות ותהליכים במוח האדם.
המערכת המוטורית.
עיקר השליטה המוטורית הרצונית על הגוף מתבצעת מהאזור המוטורי העיקרי שנמצא בחלקה האחורי של האונה המצחית. בסמוך אליו נמצאים אזורים נוספים המעורבים גם הם בתכנון ובהכוונה של תנועות.
הנתיב המרכזי לפקודות מוטוריות רצוניות הנשלחות מקליפת המוח לשרירי השלד הוא המסלול הקורטיקו־ספינלי, שיורד מקליפת המוח לאורך חוט השדרה. האות העצבי מהמוח מגיע לתאי עצב מוטוריים בנקודות שונות לאורך חוט השדרה, שמקושרים בסינפסה ישירות לתאי שריר (למשל בשרירי היד). תאי העצב משחררים לסינפסה את המוליך העצבי אצטילכולין. כניסת המוליך העצבי לתא מתחילה תהליך פיזיולוגי שמוביל בסופו של דבר לכיווץ תא השריר, ובכך מומר האות העצבי לתגובה מכנית. פקודות לשרירים באזור הפנים עוברות ישירות דרך עצבי הגולגולת ואינן עוברות דרך חוט השדרה.
בנוסף למסלול זה, קיימים מסלולים נוספים היוצאים מגזע המוח ושולטים על היבטים שונים של הליכה ויציבה ועל הזזת הראש והעיניים. בכל רגע נתון פועלים כמה מסלולים מוטוריים במקביל, והמוח מתאם את פעולתם על מנת לבצע תנועות מורכבות ולהתאים אותן למידע על הסביבה שמתקבל מהחושים. בנוסף להכוונה של קליפת המוח, משוב שמגיע מפעילותו של המוח הקטן תורם לדיוק ולתזמון של התנועות המוטוריות. גרעיני הבסיס חשובים גם הם לתיאום והוצאה לפועל של תנועות, דרך מעגל מוטורי מורכב שמערב מספר גרעינים שונים.
באזורים מסוימים בקליפת המוח הקשורים לפעילות מוטורית קיימים תאי עצב מיוחדים, המכונים נוירוני מראה. תאים אלו מעבירים תגובה עצבית גם כאשר האדם מבצע פעולה מוטורית מסוימת, וגם כשהוא צופה באדם אחר המבצע את אותה הפעולה. מאז שנוירוני המראה התגלו בשנת 1992, הועלו מגוון תאוריות מרחיקות לכת לגבי חשיבותם להיבטים שונים של ההתנהגות - למידה וחיקוי של פעולות, הבנת האחר, רכישת שפה ועוד. עם זאת, טרם התגבשה הסכמה בקהילה המדעית בנוגע למשמעות התגלית ותפקיד נוירוני המראה.
מערכות החוש.
המוח מקבל מידע ממערכות חוש רבות. החושים המספקים מידע על הסביבה החיצונית מוכרים כ'חמשת החושים' - ראייה, שמיעה, מישוש, טעם וריח - אך ישנם גם קולטנים של חושים נוספים אשר מספקים מידע על הגוף עצמו (כגון מערכת שיווי המשקל), על מצב האיברים הפנימיים ועל ריכוזים של חומרים בתוך הגוף.
במערכות החוש קיימים קולטני חישה, שתפקידם הוא לזהות ולאפיין את הגירויים ולשלוח אותות מתאימים למערכת העצבים. הקולטנים בכל מערכת חוש מגיבים לגירויים מסוג אחר - לחץ, טמפרטורה, אור, מולקולות מסוימות וכו'. בתהליך של התמרה חושית, הגירויים הפיזיים גורמים לשינויים בתוך תא הקולטן, ובסופו של דבר מומרים לדחפים עצביים אשר מקודדים את אופיו ועוצמתו של הגירוי. לדוגמה, במערכת השמיעה הקלט הוא בצורת תנודות אוויר שנכנסות דרך האוזן. התנודות גורמות לנוזל בתוך האוזן הפנימית להפעיל לחץ פיזי על תאי שערה מיוחדים, שמתפקדים כקולטנים. תעלות יונים על פני תא השערה נפתחות או נסגרות כתוצאה מהלחץ, והמתח החשמלי בתוכו משתנה. בהתאם לעוצמת המתח, תאי השערה משחררים מוליך עצבי לסינפסות עם תאי עצב, ואלה מעבירים למוח את המידע על הגירוי בצורה של דחפים עצביים.
האזורים בקליפת המוח שאחראים על עיבוד מידע חושי נחלקים לאזורים 'ראשוניים' או 'עיקריים' הממונים על קליטה ועיבוד ראשוניים, ואזורים 'אסוציאטיביים' או 'משניים' העוסקים בעיבוד מתקדם יותר וכן בשילוב מידע המגיע מחושים שונים. זאת, על מנת לפרש את משמעות הגירויים ולגבש תפיסה כוללת של הסביבה.
גם בתוך המוח, המידע מהחושים מסודר לעיתים בהתאם לסידורו במרחב: מידע על גירויים באזורים סמוכים בעור מגיע לתאי עצב סמוכים באזור התחושתי הראשוני במוח, וגם הייצוג החזותי של הסביבה בקליפת המוח מסודר לפי מיקומם המרחבי של עצמים בשדה הראייה. עם זאת, הייצוג אינו בהכרח פרופורציונלי - אזור נרחב יחסית מוקדש למשל לעיבוד קלט חושי מאצבעות הידיים, אף על פי שהן מהוות רק חלק מזערי מהגוף.
למידה וזיכרון.
המוח בנוי ממספר עצום של תאי עצב, שפעולתם המשותפת מאפשרת למידה משוכללת ביותר.
תהליכי הלמידה במוח מערבים שינויים פיזיולוגיים בקישורים הסינפטיים שבתוכו. למידה גורמת לסינפסות באזורים שונים להתחזק או להיחלש, ומביאה גם ליצירה של סינפסות חדשות או להתנוונות ומוות של סינפסות אחרות.
המנגנון התאי שגורם לחיזוק הסינפסות כתוצאה מלמידה מכונה הגברה ארוכת טווח (Long-term potentiation). בתהליך זה, סינפסה עם תא מטרה מסוים מתחזקת כאשר היא פועלת במקביל לפעילותה של סינפסה אחרת עם אותו תא. נמצא כי הגברה ארוכת טווח מתרחשת באזורים שונים במוח, וכי היא מתבססת בין השאר על הגדלת הכמות והרגישות של הקולטנים העצביים בתא המטרה. התהליך ההפוך, בו סינפסות נחלשות לאורך זמן, מכונה דיכוי ארוך טווח (Long-term depression).
בצורות פשוטות יחסית של למידה, כמו התניה קלאסית, נוצר קישור ישיר בין גירוי מסוים לבין ההתנהגות שהאדם יבצע בתגובה אליו. למידה כזו מתרחשת במסלולים המקשרים בין תאי עצב שאחראים על קליטת הגירוי החושי לבין תאי עצב מוטוריים שיוצרים תגובה התנהגותית. באופן כללי, חיזוק של סינפסות לאורך המסלול יחזק את ההתניה, והיחלשות של הסינפסות תביא בסופו של דבר לדעיכה.