בכל המיתרניים ובעיקר בקבוצה הגדולה והנפוצה שלהם, החולייתנים (הכוללים גם את האדם), מערכת העצבים מופיעה באותו אופן במהלך התפתחות העובר וגידולו. בשלב מוקדם מאוד, שכבת הנבט החיצונית (האקטודרם) בגבו של העובר מתקפלת לרכס עצבי, הנסגר ליצירת צינור עצבים חלול לכל אורכו של העובר. צינור זה עובר גבית למערכת העיכול (בניגוד למערכת העצבים הגחונית בחרקים למשל). התאים בהיקף הצינור מתמיינים לתאי עצב ולתאי גלייה, בעוד חלל הצינור מלא בנוזל המוח.
במיתרני ראש, הקבוצה פחות מפותחת של המיתרניים, אפילו בחיה הבוגרת ניתן לכל היותר לזהות התעבות קלה של צינור העצבים בקצהו הקדמי. ואולם בחולייתנים התעבות זו ממשיכה לגדול ולהתפתח ליצירת מוח, בעוד שאר הצינור מתפתח לחוט השדרה. חלקי המוח השונים מופיעים כשורת "שלפוחיות" של התעבות זו, וגם המבנה הראשוני שלהם זהה בכל החולייתנים, כולל האדם. בתוך שלפוחיות אלו, חלל צינור העצבים העוברי מתפתח לחדרי המוח ולחלל שבתוך חוט השדרה, שעדיין מחוברים ביניהם גם באדם. רבים מחלקי המוח של האדם, כמו גם את העצבים השונים המסתעפים ממנו, ניתן לזהות כבר במוח דגים כמו הכריש. עם זאת, יחסי הגודל בין חלקים אלו עשויים להיות שונים מאוד, כמפורט בסעיף הבא.
בדומה למספר מערכות חסרי־חוליות, גוף המיתרניים מצטיין בסימטריה דו־צדדית, ובהתאם לכך המוח אצל כל המיתרנים והחולייתנים הוא סימטרי בעיקרו, וכל איברי המוח הצידיים (כלומר שאינם נמצאים על המישור החיצי) הם זוגיים ודומים מימין ומשמאל.
בעקבות התפתחות המוח בחולייתנים מתפתחת גם הגולגולת, חלק מן השלד שתפקידו העיקרי להגן על המוח. הן במהלך האבולוציה והן בהתפתחות העוברית של חולייתנים בני ימינו, הגולגולת נוצרת לאחר המוח, והיא עוטפת אותו ומקבלת ממנו את צורת החלל הפנימי שלה. בדגי סחוס ובעוברים של חולייתנים מפותחים יותר הגולגולת עדיין פתוחה מצידה העליון, ולכן חלקה העוטף את המוח (להבדיל מן הלסתות למשל) נקרא "קדרת המוח". בדגי גרם ובחולייתנים יותר מפותחים, קדרת המוח מתכסה מלמעלה בעצמות שטוחות גרמיות, המתאחות עם קדרת המוח ליצירת "קופסת המוח". בעת התפתחותה מותירה הגולגולת חורים למעבר העצבים המסתעפים מן המוח.
המוח ביונקים ובעופות.
ביונקים ובעופות המוח גדול משמעותית, יחסית לגודל הגוף, מאשר בשאר קבוצות החולייתנים. גידול זה מושג בעיקר בזכות הגדלתה של ה"שלפוחית" הקדמית ביותר של צינור העצבים, המוח הקדמי ("Telencephalon"). במהלך ההתפתחות העוברית חלק זה גדל בקצב מהיר משל שאר חלקי המוח, עד שהוא מכסה אותם מלמעלה. כתוצאה מגידול בלתי־פרופורציונלי זה, תצורת הצינור המפותל עם שלפוחיות האופיינית למוחות דגים, דו־חיים וזוחלים הופכת ביונקים ועופות בוגרים לתצורה הטיפוסית של גוש גדול בראש "גבעול". מסיבה זו מכנים את המוח הקדמי ביונקים ובעופות בוגרים במונח "המוח הגדול", בעוד שלכל שאר חלקי המוח מתייחסים לעיתים קרובות במונח "גזע המוח".
עם זאת, הגדלת המוח הגדול מושגת בדרכים שונות בעופות וביונקים, אשר משקפות את האבולוציה הנפרדת של שתי קבוצות אלו מן הזוחלים. בעופות עיקר הגידול הוא של צבירי העצב שבתוך המוח הגדול, גרעיני הבסיס, בעוד שביונקים עיקר הגידול הוא של המעטפת החיצונית של המוח הגדול, קליפת המוח. קליפה זו מהווה למעשה מעין יריעה רחבה בת מספר שכבות תאי־עצב, אשר "מתקמטת" בגלל הצורך להדחס לתוך חלל הגולגולת המוגבל, ובכך מעניקה למוח היונקים את מראהו המקומט האופייני.
גידול המוח הקדמי עומד בהתאמה לאינטליגנציה הגבוהה יותר של יונקים ועופות, ובעיקר ליכולותיהם ללמוד צורות התנהגות חדשות. במוח הגדול מופיעים מרכזים תפקודיים חדשים, אשר משמשים כשכבה נוספת של עיבוד מידע ובקרה מתקדמים יותר, מעל שכבת המרכזים העתיקים של גזע המוח. לדוגמה, במוחות דגים עצב הראייה מוביל מרשתית העין אל התלמוס במוח הביניים, ובהתאם לכך עיקר תפקודי הראייה מתבצעים במוח הביניים ובמוח האמצעי הנמצא מיד מאחוריו. במוחות היונקים, כניסת עצב הראייה ומרכזי הראייה העתיקים עדיין נמצאים באותם מקומות, אך הם נשלטים על ידי מרכזי ראייה נוספים ומפותחים יותר במוח הגדול, כמו קליפת הראייה.
במוחות היונקים ניתן כבר למצוא את כל חלקיו ומרכיביו האנטומיים של מוח האדם, כמעט תמיד עם תפקודים זהים או דומים מאוד לאלו שבאדם. חלקים אלו שונים משל האדם בעיקר ביחסי הגודל ביניהם. על דמיון האנטומי ותפקודי זה מסתמכים ניסויי חקר המוח ובחינת תרופות של המוח בחיות מעבדה.
גודל ומורכבות המוח בבעלי חיים ובאדם.
קיים שוני רב בין בעלי החיים במבנה וברמת המורכבות של המוח ומערכת העצבים. לדוגמה, מערכת העצבים של התולעת "C. elegans" מורכבת מ־302 תאי עצב בדיוק, היוצרים ביניהם כמה אלפי קשרים סינפטיים, בעוד שמספר תאי העצב במוח האדם הבוגר מוערך בכ־90 מיליארד היוצרים יותר מ־100 טריליון סינפסות.
עם השנים נעשו ניסיונות רבים לקשור בין המבנה, הגודל והמורכבות של המוח בבעלי חיים לבין היכולות השכליות שלהם, בעיקר תוך השוואה בינם לבין המוח האנושי. גישה אחת מסתכלת על הנפח או המסה של המוח כאינדיקציה ליכולות שכליות מורכבות יותר. מוחות הלווייתנים והפילים גדולים ממוח האדם, אך זאת במידה רבה בגלל גופם הגדול בהרבה. כדי לפצות על כך נוהגים לעיתים לבטא את מסת המוח כשבר או אחוז ממסת הגוף. ואולם גם מדד זה איננו אמין - הוא נותן יתרון למינים קטנים יותר, משום שמסת המוח נוטה לגדול בקצב איטי יותר ממסת הגוף. כך למשל יש ליונקים קטנים כמו העכבר מוח בגודל יחסי דומה לזה של האדם, כ־1/40 ממסת גופם, ולציפורים זעירות כמו הקוליברי מוח גדול יחסית אף יותר, עד 1/12 ממסת גופן.
על־מנת לקבל מדד אמין מקובל לחשב את המתאם המייצג ביותר בין מסת המוח ומסת הגוף במדגם של מיני בעלי־חיים רבים. כמו במקרים דומים רבים מתחום האלומטריה (חקר יחסי גודל גוף בעולם החי), נמצא שמתאם זה מתואר באופן הטוב ביותר על ידי חוק חזקה. המדד המכונה "מנת מוחיות" או בקיצור EQ (ראשי תבות של Encephalization Quotient) ניתן על ידי הכפלת מקדם במסת המוח מחולקת למסת הגוף בחזקת מעריך. הערכים המספריים המדויקים של המקדם והמעריך מחושבים מתוך נתוני המדגם, כאשר המעריך מתקבל לרוב כמספר קטן מ־1 (מבטא את העובדה שהמוח אינו גדל באותו קצב כמו הגוף), והמקדם לרוב מתוקנן כך שה־EQ החציוני במדגם יהיה שווה ל־1. כאשר משתמשים במדגם גדול מספיק, מסתבר כי למיני היונקים והעופות EQ גדול בהרבה משל שאר החולייתנים, כשהאדם תופס מקום ראשון. במדגמים של מיני יונקים נמצא לרוב כי לאדם ערך EQ בין 6 ל־8 (היינו, מוחו גדול פי 6 עד 8 מן הצפוי ליונק באותו גודל גוף). הבאים אחריו בדרוג, הדולפינים וקופי האדם, מקבלים בדרך־כלל ערכי EQ של 2 עד 5. הפיל וכלב הבית מקבלים לרוב ערכים בין 1 ל־2. לעומת זאת בעלי פרסות כמו הסוס ומכרסמים כמו העכבר מקבלים לרוב ערכי EQ קטנים מ־1.
גישות נוספות מתמקדות בגודלם של אזורים ספציפיים במוח, כמו קליפת המוח המפותחת מאוד בבני אדם, או ביחס בין גודלו של המוח בעת הלידה לבין גודלו בפרט הבוגר, יחס האמור להעיד על שיעור הלמידה של בעל החיים במהלך התפתחותו.
אף שגודל המוח לא תמיד משקף נאמנה את יכולותיו השכליות, יתרון של גישות כאלו הוא שניתן להשתמש בהן אפילו בייצורים מאובנים, שכן ניתן למדוד את המוח באמצעות מדידת הנפח הפנימי של חלל גולגולת מאובנת. באופן זה ניתן להתחקות אחר גידולו של המוח באבולוציה של האדם. ממצאי המאובנים מראים שלפני כשני מיליון שנה, מוחותיהם של האוסטרלופיתקים היו עדיין דומים בגודלם לאלו של קופי־אדם בני ימינו, בנפח של כ־350 עד 500 סמ"ק, אף שהם כבר הלכו זקופים על שתיים בדומה לאדם. רק עם הופעת המינים הראשונים של סוג האדם החלה אבולוציה מואצת, שהביאה בסופו של דבר לגידול של פי שלושה לערך בגודל המוח, לנפח ממוצע של כ־1400 סמ"ק באדם בן־ימינו. גידול זה תואם את ההשתכללות ההולכת וגוברת של תרבויות כלי אבן מסותתים, אשר נמצאו באתרים ארכאולוגים מן התקופה הפלאוליתית ביחד עם מאובני האדם.
מספר מאפיינים של המוח והחשיבה מייחדים את בני האדם לעומת בעלי חיים אחרים, גם המפותחים שבהם. ככל הידוע, האדם הוא בעל החיים היחיד אשר משתמש בשפה של ממש, זאת בניגוד לתקשורת בין בעלי חיים שאינה מקיימת את המאפיינים של שפה טבעית. יש הרואים במאפיינים אנושיים שונים - ביניהם שימוש מתקדם בכלים, יכולות חברתיות, אומנות ועוד - כסימן למוח מפותח ויוצא דופן.
מושגים כמו הכרה ותודעה משמשים לתיאור אופי החשיבה האנושית, ומתקיים ויכוח בשאלה עד כמה ניתן להחיל אותם גם על בעלי חיים מפותחים אחרים.
מבנה המוח האנושי.
המוח נמצא בתוך הראש ומוקף במבנה העצמות של הגולגולת ובמספר שכבות של קרומי מוח. חוט השדרה מהווה את המשכו התחתון של המוח ויוצר יחד איתו את מערכת העצבים המרכזית. דרך חוט השדרה מקושר המוח לכל איברי הגוף, הפנימיים והחיצוניים כאחד, על ידי מערכת העצבים ההיקפית.
המוח האנושי מורכב משלושה מבנים עיקריים: המוח הגדול, התופס את מרבית נפח הגולגולת, גזע המוח, הנמצא בחלק התחתון של המוח ומקושר לחוט השדרה, והמוח הקטן (צרבלום), היושב מאחורי גזע המוח ומתחת למוח הגדול. מבחינה תפקודית, גזע המוח שולט על תפקודים בסיסיים של הגוף, כמו נשימה ועוררות, והוא נתיב להעברת מידע חושי ופקודות מוטוריות בין המוח לחוט השדרה. המוח הקטן אחראי בעיקר על תיאום מדויק של פעולות מוטוריות. עיקר העיבוד של המידע מהחושים וביצוע הפעולות הרצוניות של הגוף נמצאים תחת שליטתו של המוח הגדול, על שלל מרכיביו.