Mặc dù có hơn 10.000 loại tế bào thần kinh cụ thể, nhưng ba phân loại chung là tế bào thần kinh cảm giác, tế bào thần kinh vận động và tế bào thần kinh trung gian. Tế bào thần kinh cảm giác gửi tín hiệu từ bên ngoài cơ thể vào hệ thống thần kinh trung ương, tế bào thần kinh vận động truyền tín hiệu để kích hoạt các cơ và các tuyến, đồng thời các tế bào thần kinh nội tạng đóng vai trò như các đầu nối giữa các tế bào thần kinh.
Các tế bào thần kinh cảm giác thông báo cho hệ thần kinh trung ương về các kích thích bên ngoài thông qua các giác quan xúc giác, thị giác, thính giác, vị giác và khứu giác. Bằng cách làm cho cơ co lại và thư giãn, các tế bào thần kinh vận động kích hoạt các chức năng cơ không tự nguyện như nhịp đập của tim và vận chuyển thức ăn qua ruột, cũng như chức năng cơ xương tự nguyện. Các tế bào thần kinh giữa tạo thành các kết nối cho phép giao tiếp giữa các tế bào thần kinh cảm giác và tế bào thần kinh vận động, đồng thời thực hiện nhiều chức năng tín hiệu phức tạp khác trong hệ thần kinh.
Bộ não không phải lúc nào cũng tham gia vào quá trình truyền tín hiệu giữa các tế bào thần kinh. Trong một con đường phản xạ đơn âm, chẳng hạn như phản xạ giật đầu gối, các tế bào thần kinh cảm giác truyền thông điệp trực tiếp đến các tế bào thần kinh vận động, kích thích cơ chân phản ứng tự động. Khi các nhiệm vụ ngày càng phức tạp, các con đường trở nên phức tạp hơn và não bộ sẽ hoạt động. Để xử lý tất cả thông tin này, các nhà khoa học ước tính rằng não người chứa khoảng 200 tỷ tế bào thần kinh.
