Cá có hệ thần kinh phát triển tốt thiết lập xung quanh đại não, và được chia thành các phần khác nhau. Ở phía trước của não bộ là các tổ chức khứu giác hình củ hành, hỗ trợ cá trong việc ngửi. Không giống như phần lớn các động vật có xương sống khác, đại não của cá chủ yếu có tác dụng hỗ trợ khứu giác hơn là phản xạ cho toàn bộ các hành vi chủ động khác. Các thùy thị giác xử lý thông tin từ mắt.

Đại não phối hợp các chuyển động của cơ thể trong khi phần cuối của não nối với tủy xương (tiểu não) kiểm soát chức năng của các nội tạng. Phần lớn các loài cá phát triển khá tốt cơ quan khứu giác. Gần như toàn bộ các loài cá kiếm ăn ban ngày có các mắt phát triển tốt có cảm nhận màu sắc tốt ít ra cũng bằng con người. Nhiều loài cá còn có các tế bào đặc biệt gọi là các thụ quan có trách nhiệm đối với những giác quan bất thường về mùi vị. Mặc dù cá có các tai trên đầu, nhưng nhiều loại cá không cảm thụ âm thanh tốt.

Tuy nhiên, phần lớn cá có các thụ quan nhạy cảm tạo thành hệ thống đường bên. Hệ thống này cho phép cá phát hiện được các dao động và chuyển động nhẹ của dòng nước, cũng như để cảm nhận chuyển động của các loại cá khác ở gần nó hay của con mồi. Một số loài cá như cá da trơn hay cá mập, có các cơ quan có thể phát hiện các dòng điện cực nhỏ. Một số loài cá khác như lươn điện hay cá đuối điện, có thể sản sinh ra điện của chính nó.