Consideravelmente mais desenvolvido que o dos Répteis. Os lobos olfativos do cérebro são pequenos e responsáveis pelo olfato, notavelmente pobre. O cérebro é grande e recobre o diencéfalo e os lobos ópticos. Entretanto, seu tamanho resulta mais do crescimento do corpo estriado do que do córtex cerebral que é liso. Os lobos ópticos são excepcionalmente grandes, o que parece estar relacionado com a visão aguçada que as aves possuem. O cerebelo é maior do que nos répteis e apresenta fissuras profundas, apesar de não ser tão grande como nos mamíferos. Ventralmente ao cerebelo o encéfalo das Aves mostra o começo do desenvolvimento de uma ponte.
O sistema nervoso é bastante desenvolvido, principalmente as estruturas relacionadas com o equilíbrio e com a orientação espacial, como o cerebelo. Em algumas aves, já foram encontrados cristais de magnetita nos músculos do pescoço. Provavelmente, esses cristais devam estar associados com alguma forma de orientação magnética, como "bússolas internas", importantes para as aves que executam longos vôos migratórios. O paladar e o olfato são muito pouco sensíveis, ao contrário da visão e da audição. As aves possuem, também, 12 pares de nervos cranianos.
A visão privilegiada da maioria das aves possibilida uma excelente acuidade visual, inclusive para cores em muitas espécies.
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