1. Występują cefalizacja ze znacznie rozwiniętym układem nerwowym.
2. Dobrze rozwinięty mózg.
3. Zaawansowane oczy – podobne swoją budową do oczów kręgowców.
4. Wysoka inteligencja na poziomie, chociażby psa lub kota.
U głowonogów możemy zaobserwować scentralizowany układ nerwowy, który kumuluje się w głowie.
Ich mózg jest chroniony chrzęstną puszką (która tworzy tak jakby prostszą „czaszkę”).
Posiadają bardzo rozwinięte oczy – złożone z soczewek, źrenic, tęczówek, siatkówek. Posiadają także zdolność do akomodacji oka – dzięki czemu widzą bardzo wyraźnie przedmioty z bliska oraz z daleka. Oko głowonoga może być również przykładem konwergencji, czyli procesu powstawania cech podobnych morfologicznie lub funkcjonalnie pośród grup organizmów, które nie są ze sobą blisko spokrewnione. Oko głowonoga pełni tę samą funkcję, co u kręgowców oraz ma podobną budowę. Różni je natomiast sposób powstawania.
Głowonogi takie jak ośmiornice wyróżniają się szczególnie wysoką inteligencją (np. na poziomie kota).