Nghiên cứu chỉ ra rằng, theo các thước đo trí thông minh của con người, cá heo là loài thông minh thứ hai trên hành tinh. Ảnh chụp MRI cho thấy cá heo có khả năng tự nhận thức và các nghiên cứu khác cho thấy rằng động vật biển có vú có một tổn thương đặc biệt đối với đau khổ và chấn thương.
Cá heo có bộ não rất phát triển, có kích thước ấn tượng so với kích thước cơ thể của chúng. Não tân của cá heo được mở rộng đáng kể so với các loài khác, điều này cho thấy rằng cá heo có khả năng tư duy bậc cao và xử lý cảm xúc tiên tiến. Cá heo cũng có khả năng hiểu các hệ thống giao tiếp biểu tượng và hiểu các khái niệm trừu tượng, cả hai đều đặc biệt giống con người.
