Peixes têm sistemas nervosos complexos e seu cérebro é dividido em diferentes partes. O mais anterior, ou frontal, contém as glândulas olfativas. Diferente da maioria dos vertebrados, o cérebro do peixe primariamente processa o senso olfativo antes de todas as ações voluntárias.[carece de fontes] 

Os lobos óticos processam informações dos olhos. O cerebelo coordena os movimentos do corpo enquanto a medula controla as funções dos órgãos internos. 

Aproximadamente todos os peixes diurnos possuem olhos bem desenvolvidos com visão colorida. Muitos peixes possuem também células especializadas conhecidas como quimioreceptores, que são responsáveis pelos sentidos de gosto e cheiro. 

A maioria dos peixes têm receptores sensitivos que formam o sistema linear lateral, que permite aos peixes detectar correntes e vibrações, bem como o movimento de outros peixes e presas por perto. 

Em 2003, alguns cientistas escoceses da Universidade de Edimburgo descobriram que os peixes podem sentir dor.[carece de fontes] Um estudo prévio pelo Professor James D. Rose da Universidade de Wyoming dizia que os peixes não podiam sentir dor porque eles não possuíam a parte neocortexal do cérebro, responsável por tal sensação. Peixes como os peixes-gato e tubarões possuem órgãos que detectam pequenas correntes elétricas. Outros peixes, como a enguia elétrica, podem produzir sua própria eletricidade.