Głowonogi mają doskonale wykształcony układ nerwowy. Potrafią zapamiętywać i uczyć się. Mają mózg osłonięty chrzęstną puszką i statocysty, które umożliwiają analizę sytuacji i wykonywanie złożonych czynności.
Statocysty umożliwiają też świetną orientację w przestrzeni.
Powłoka ciała zawiera chromatofory, które pozwalają na zmianę ubarwienia i upodobnienie się do środowiska czy podłoża.
Ich oczy są umieszczone w obrębie puszki mózgowej i dzięki nim głowonogi widzą ostro i przestrzennie.
Ośmiornice jako jedne z przedstawicieli głowonogów, potrafią wydostać pożywienie z zamkniętego słoika, zbudować schronienie z kamieni oraz rozpoznać i ominąć szklaną przeszkodę. Wszystko to dzięki wysokiemu rozwojowi ich układu nerwowego.