Os animais apercebem-se do mundo que os rodeia através dos seus sentidos. Dado que cada espécie privilegia sentidos diferentes, cada uma tem "visões" diferentes do mundo. Os cães, por exemplo, não detectam a cor mas têm olfacto e audição muito superior à dos humanos. Assim, enquanto nós olhamos para o por do Sol, o nosso cão cheira alegremente os arbustos em volta, atento ao movimento de pequenos animais. 

Ao estudar os órgãos dos sentidos iremos analisar as propriedades das suas células, bem como o modo como transformam os estímulos ambientais em informação nervosa. A maioria das células sensoriais são neurónios modificados, mas podem também ser células apenas aparentadas com os neurónios. São especializadas na detecção de estímulos específicos (pressão, calor, luz, etc.) e frequentemente estão reunidas (com outros tipos de células) em órgãos sensoriais (olhos, ouvidos, nariz, etc.) que realçam a capacidade das células sensoriais para recolher, filtrar e ampliar os estímulos.

Geralmente apresentam proteínas receptoras nas suas membranas plasmáticas, que detectam o estímulo e respondem alterando o fluxo iónico através da membrana. A alteração resultante do potencial de membrana provoca a formação de um potencial de acção ou libertação de neurotransmissores em direcção a uma célula associada (que irá, por sua vez, originar o potencial de acção). A frequência do potencial de acção corresponde geralmente à intensidade do estímulo.

No entanto, se todas as células sensoriais enviam para o S.N.C. o mesmo tipo de mensagem (potencial de acção ou impulso nervoso), como nos surgem sensações diferentes em cada caso? Sensações como comichão, calor, pressão, dor, luz, cheiro ou som diferem porque as mensagens das células sensoriais atingem o S.N.C. em diferentes locais. Potenciais de acção que atinjam o córtex visual são interpretados como luz, o córtex auditivo como som, etc.

A especificidade destes circuitos sensoriais pode ser ilustrada pelos pessoas que sofreram amputações. Apesar das células sensoriais da zona terem deixado de existir, axónios que as ligavam ao S.N.C. permanecem, logo se forem estimulados, a pessoa terá sensações como tivesse um membro fantasma.

Numerosas células sensoriais reagem gradualmente menos a estímulos repetitivos, num fenómeno designado adaptação. Esta situação permite ao animal ignorar situações de fundo ou inalteradas, permanecendo atentos a situações novas. Quando nos vestimos de manhã sentimos a roupa sobre a pele mas tal não acontece ao longo de todo o dia, embora notemos imediatamente quando alguém nos toca ao de leve no ombro. A adaptação sensorial depende não apenas das células receptoras mas também do S.N.C. 

Algumas células sensoriais recebem estímulos internos, mesmo que não nos apercebamos deles a maior parte do tempo. O S.N.C. recebe permanentemente informação sobre a temperatura corporal, açúcar no sangue, concentrações de oxigénio e dióxido de carbono no sangue, pressão arterial, tensão muscular e posição dos membros, entre outros.

Pode-se concluir que todas as células sensoriais produzem informação útil ao S.N.C., embora nem sempre esta esteja disponível conscientemente. 

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