전체 뇌 무게의 80% 이상을 차지하는 가장 큰 부분으로서 좌우 두 개의 반구로 이루어져 있다. 대뇌는 부위에 따라서 대뇌피질, 대뇌수질, 대뇌핵 및 변연계로 구성되어 있다.
대뇌반구의 표층을 이루는 두께 2~4mm정도의 회백질을 대뇌피질이라 하는데, 주름이 많이 잡혀 있어 호두알 같은 모양이다. 대뇌피질에는 약 140억 개의 신경세포가 밀집되어 있으며, 표면에 평행하게 6층으로 배열되어 있다. 각 층을 구성하고 있는 신경세포는 피질의 부위에 따라 모양, 크기, 배열 등이 다르다. 대뇌피질은 감각, 운동의 최고 중추이자 이성행동을 주관하고 있으며, 각 부위마다 다른 기능을 맡고 있어 운동영역, 감각영역, 연합영역으로 나눈다. 각각의 기능은 중추 간의 연락을 통하여 종합된다.
대뇌피질 아래에는 대뇌수질이 위치하여 대뇌피질의 각 영역을 연결한다. 유수신경섬유로 구성되어 있기 때문에 흰색으로 보이며, 신경섬유는 다발을 이루어 대뇌피질의 여러 중추를 연결한다. 대뇌수질 안쪽 깊숙한 곳에는 한 무리의 핵들이 위치하는데, 이를 기저핵이라고 한다. 대뇌핵은 신경세포들이 모여 있는 회백질 덩어리로서 대뇌피질과 척수를 연결하는 운동로, 감각로의 중계소 역할을 한다.
변연계는 대뇌반구의 안쪽과 밑면에 해당하는 부분으로서 행동의 동기와 감정 상태에 관련된 기능을 하며, 대뇌피질의 의식적, 지적인 기능과 뇌 간의 무의식적인 기능을 서로 연결하는 역할도 한다.

기능뇌간·척수계는 정신활동을 지배하는 것이 아니고, 운동신경에 대한 조절작용으로 몸의 건강, 즉 ‘살아 있다’고 하는 생명유지를 자기 조절적으로 담당하고 있다. 대뇌변연계는 ‘살아 있다’는 정적(靜的)인 생명현상 위에 서서 ‘당당하게 살아간다’고 하는 기본적인 생명활동을 담당하고 있다.
즉, 개체유지와 종족보존을 위한 식욕과 성욕, 그리고 집단욕 등의 본능적 욕구와 이들 본능적 욕구를 훌륭하게 충족시키면서 개체와 종족보전을 위한 정동(情動)의 마음(쾌감·불쾌감·노여움·두려움)이 대뇌변연계에서 만들어져서, 이것이 본능행동과 정동행동으로 나타나게 된다. 이 경우 간뇌의 일부인 시상하부는 본능적 욕구와 정동의 마음을 일으키거나 정지시키기 위한 정보감수의 기능을 맡고 있고, 편도핵과 중격핵은 본능행동이나 정동행동을 나타내기 위한 지령이 보내어지는 신경로의 중계소이다.
신피질계는 ‘잘 살아가는’ 적응행동과 ‘멋지게 살아가는’ 창조행위의 통합계로서 작용하고 있는데, 특히 인간에서는 창조행위를 하게 하는 곳으로 전두엽의 전단부에 있는 전두연합령(前頭聯合領)이 매우 분화 발달되어 있다. 신피질은 전두연합령과 그 이외의 영역으로 나누어 보면 그 곳에서 이루어지는 정신활동의 분업상황을 쉽게 이해할 수 있다. 뒤쪽의 영역은 전자계산기의 역할로 정보처리와 운동발현의 기능을 나타내는 곳이다. 피부감각·청각·시각이라 표시된 자리에서는 감각을 일으키고 측두엽에 있는 기억의 기전(機轉)에 들어가서 지각이해·인식 등의 정보처리기능을 나타내 주고 있다. 앞쪽 운동의 패턴이라 쓰여 있는 곳에서 그 뒤쪽에 있는 운동신경세포로 운동지령을 내보내는 명령서가 작성되어 운동을 할 수 있는 것이다.
인간의 신피질에서는 단지 정보처리나 운동발현의 구실뿐만 아니라 사고·창조 ·의도·정조 등의 고차적인 정신기능이 이루어지는데 이것을 담당하는 곳이 전두연합령이다. 인간의 특징의 하나인 언어중추는 바와 같이 3개가 있는데, 후언어령(後言語領)에서 말을 이해하고 전언어령(前言語領)과 상언어령(上言語領)에서는 말을 하게 하는 역할을 담당하고 있다. 또한, 운동이나 감각에 대해서는 좌우의 신피질은 반대쪽의 몸을 지배하고 있지만, 고차적인 정신활동은 주로 왼쪽 신피질에서 이루어지고 있다. 신피질계에서 이루어지는 통합작용을 위한 정보는 간뇌 속의 시상을 통해 신피질로 보내지고, 통합의 결과로 오는 운동지령은 대뇌핵을 통해 보내진다.