Les hémisphères cérébraux des Mammifères sont très développés par rapport aux autres parties de l'encéphale, notamment aux lobes optiques, qu'ils recouvrent complètement. Les commissures qui réunissent les deux lobes sont plus développées, surtout le corps calleux qui n'est rudimentaire que chez les Monotrèmes, les Marsupiaux et les Edentés. Enfin, chez les Placentaires supérieurs, le cerveau présente des lobes et des replis plus ou moins nombreux, visibles surtout à sa face supérieure, replis qui augmentent la surface de la substance grise renfermant les cellules nerveuses et sont toujours en rapport direct avec l'intelligence de l'animal. En général, la masse même du cerveau, et par suite le développement de la cavité cérébrale du crâne, est en rapport direct avec cette intelligence et se montre surtout considérable chez les types les plus élevés de la classe : ainsi le cerveau de l'Humain est trois fois plus pesant que celui des Singes Anthropoïdes de même taille. Mais il n'y a pas de rapport constant entre la taille de l'animal et le développement de son cerveau : au contraire les Mammifères de grande taille ont en général un cerveau plus petit relativement que les Mammifêres de petite taille appartenant au même groupe. Par contre, ces derniers ont d'ordinaire un cerveau plus lisse, c.-à-d. moins pourvu de circonvolutions, quand on les compare aux espèces de grande taille, appartenant à la même famille ou au même ordre. Ainsi le cerveau est lisse chez les plus petites espèces de Singes (Ouistitis), tandis que l'on trouve des circonvolutions chez les grandes espèces de Marsupiaux et d'Edentés, ce qui prouve que ces replis sont en rapport non seulement avec le degré d'organisation de l'animal, mais encore et surtout avec la dimension des hémisphères cérébraux. Les nerfs olfactifs sont rudimentaires ou atrophiés chez les Cétacés cétodontes. La moelle épinière s'élargit en deux points pour former les plexus brachial et lombaire. Les nerfs du système sympathique et ganglionnaire sont très développés.

Organes des sens 

Toucher.
La peau est le siège du sens du toucher, mais ce sens est surtout développé autour des lèvres et du nez où des poils spéciaux (vibrisses ou moustaches) correspondent à des papilles nerveuses tactiles d'une grande sensibilité, dépendant de la cinquième paire de nerfs. Ces poils servent aux animaux qui les portent autant que les antennes aux Insectes. On peut voir chez le Chat, le Rat, la Souris, combien ces poils leur sont utiles; ils ne flairent un objet qu'après l'en avoir touché. Les moustaches servent à tous les Mammifères nocturnes de guide dans leurs excursions, elles protègent les organes plus importants de la vue et de l'odorat. 

La Baleine plonge dès qu'un objet a touché sa peau; l'Eléphant sent instantanément la mouche qui s'est posée sur sa peau épaisse; le Boeuf éprouve du plaisir à être légèrement gratté entre les cornes; la caresse la plus douce réveille le chien endormi. Et cependant tous ces animaux sont relativement insensibles, si on les compare à l'Humain, dont la peau perçoit le plus léger souffle de vent.

Les Equidés ont dans leurs pattes une certaine sensibilité tactile, malgré le dur sabot qui les recouvre. Qu'on observe un cheval quand, de nuit, il monte ou descend une montagne, et l'on verra qu'avec son sabot, il tâte la terre. Les extrémités des membres, la surface inférieure de la queue chez les Singes qui l'ont prenante, etc., possèdent aussi une sensibilité plus ou moins développée et qui permet souvent à l'animal de se diriger même dans l'obscurité la plus complète.

Mais pour voir quel perfectionnement peut atteindre le sens du toucher, il suffit de regarder la main de l'Humain, et surtout celle de l'artiste ou de l'aveugle. La main est l'organe de tact le plus accompli; elle peut sinon remplacer la vue, au moins lui suppléer.

Goût. 
Le goût, à proprement parler, n'est réellement développé que chez les Mammifères, et la langue, couverte de papilles qui en sont les récepteurs, en est le véritable siège. Le sel et le sucre agissent sûrement sur cet organe chez tous les Mammifères; les Chats mêmes ne refusent pas de manger ces deux substances, dès qu'elles sont dissoutes. La langue dure du Chameau, que ne blessent pas les épines aiguës des Mimosas, ne résiste pas à l'action du sel; elle perçoit des sensations agréables au contact de cette substance en dissolution; l'Eléphant, dont la langue ne paraît qu'un morceau de chair informe, montre du plaisir quand ce morceau de chair est agréablement chatouillé par des sucreries ou des boissons spiritueuses; pour presque tous, même pour les Félidés les plus sauvages, le lait est une véritable friandise -  mais ne donnez pas du lait à un hérisson!

Odorat. 
Beaucoup de Mammifères ont l'odorat très développé, ce qui leur permet soit de suivre la piste des animaux dont ils font leur proie, soit de dépister leurs ennemis, ou, de se joindre aux animaux de leur propre espèce. Il est probable que cette finesse de l'odorat est, chez ces animaux, en rapport avec le développement de la sécrétion odorante des glandes cutanées. 

Un Chien reconnaît la trace de son maître au milieu de mille autres traces; il poursuit un gibier sur une piste datant de la veille, et il n'a pour se guider que l'odorat, il ne perçoit que les légères émanations laissées par le pied au moment où il touchait le sol. Comment des traces aussi subtiles, aussi fugaces, souvent dissimulées par d'autres traces plus vives, par conséquent plus pénétrantes, peuvent elles être perçues, distinguées? C'est là un phénomène dont les détails ne sont pas encore complètement  éclaircis.

Il en est de même de ce que nous nommons le flair. Un lièvre sent le chasseur, sous le vent duquel il est placé, jusqu'à trente et quarante mètres de distance; nous comprenons que cela puisse être, car nous-mêmes nous pouvons sentir un de nos animaux domestiques à cinq, dix, et même vingt mètres. Mais qu'un Renne flaire l'Humain à cinq ou six cents mètres, cela est fait pour nous surprendre, on l'a pourtant bien souvent constaté. Ce développement de l'odorat nous paraît merveilleux, car chez nous, comme d'ailleurs chez les Singes, ce sens est nettement sous-développé en comparaison des autres Mammifères, pour lesquels il joue un rôle central dans les comportements alimentaires, sociaux et sexuels.

L'odorat des Mammifères a son siège dans la muqueuse des fosses nasales.Tous les animaux qui ont ce sens exquis ont le nez humide. Quelque singulier que cela paraisse, nous pouvons, de la plus ou moins grande humidité du nez, deviner en général à la plus ou moins grande subtilité de l'odorat. Le nez du Chat est plus sec que celui du Chien, celui du Singe plus que celui du Chat celui de l'Humain plus encore que celui du Singe, et le développement de l'odorat suit la même échelle descendante. Si nous voulions parcourir tous les degrés de perfection de ce sens, depuis les Cétacés jusqu'aux animaux les mieux pourvus, nous serions entraînés trop loin. Il suffira de dire que parmi les animaux à nez humide, ceux-là sont les plus parfaits, dont les organes olfactifs sont les plus mobiles. C'est ce que nous voyons surtout chez les Coatis, chez les Porcs, auxquels il faut associer les Chiens, les Civettes, les Genettes, les Martes, dont le nez est également très mobile. Les Chauves-souris qui ont un appendice nasal, ne le cèdent pas aux animaux à nez humide; un organe aussi développé implique souvent un grand développement de la fonction. On dira encore que les substances qui sont un parfum pour un odorat obtus, sont une puanteur horrible pour un odorat très fin : les chiens ont autant de répulsion pour l'eau de Cologne que pour l'hydrogène sulfuré. Il n'y a que des animaux relativement peu pourvus sous le rapport de l'odorat, qui s'enivrent d'odeurs, comme le Chat de celle de la valériane; les autres évitent ces excitants avec soin, même avec crainte, car ils leur sont douloureux.

Ouïe. 
L'organe de l'ouïe est renfermé dans la capsule auditive (périotique), os qui présente comme chez tous les Vertébrés des canaux semi-circulaires et un vestibule, mais le limaçon est plus développé que chez les Sauropsidés et enroulé en spirale, excepté chez les Monotrèmes. La cavité tympanique est souvent dilatée, formant à la base du crâne une paire de renflements saillants, les bulles auditives. Les osselets de l'oreille moyenne qui relient le tympan aux canaux semi-circulaires sont très variables de forme : ils sont très massifs chez les Mammifères aquatiques (Siréniens, Cétacés, Pinnipèdes); chez les Cétacés, le marteau est soudé à l'os tympanique. Chez les Monotrèmes, les Edentés et les Marsupiaux, l'étrier perd la forme caractéristique qui lui a valu son nom et constitue, par la réunion de ses deux branches, une colonne unique. Sauf chez les Singes américains, le tympan est situé au fond du conduit auditif externe qui se termine au dehors par un repli de la peau en forme de cornet ou de pavillon plus ou moins mobile (oreille externe) et de dimension très variable. Ce pavillon fait défaut chez la plupart des Mammifères aquatiques ou fouisseurs. Chez les Cétacés qui en sont dépourvus, le conduit auditif externe est très long et très étroit, par suite de l'épaisseur du tissu graisseux sous-cutané, et le tympan est situé très profondément.

La structure de leur oreille externe et interne montre combien chez les mammifères l'ouïe est développée : elle peut l'être au point que des sons, agréables-pour les uns, ne sont plus que des bruits désagréables pour d'autres dont l'ouïe est plus fine. Une oreille musicale n'est donc pas une fine oreille; elle indique plutôt un degré inférieur de développement. Il en résulte que chez l'Humain le sens de l'ouïe, comme celui de l'odorat, est moins développé que chez les autres Mammifères. 

Les divers Mammifères sont différemment doués sous le rapport de l'ouïe. Aucun n'est sourd; mais quelques-uns seulement ont en réalité l'ouïe fine.  Tous ceux dont le pavillon est grand, dressé et mobile entendent mieux que ceux qui ont le pavillon pendant, petit, ou même atrophié. En même temps que l'organe se perfectionne, la sensibilité augmente; en un mot; les Mammifères à grandes oreilles abhorrent les sons vibrants qui charment ceux à petites oreilles. Le Dauphin suit, dit-on, avec une sorte de ravissement les vaisseaux, à bord desquels on fait de la musique; le Phoque se montre à la surface de l'eau lorsque le pêcheur siffle; le Cheval hennit de joie au son de la trompette; le Chameau retrouve une nouvelle ardeur quand sonne la cloche de la caravane; l'Ours se dresse aux sons de la flûte; l'Eléphant, qui n'a qu'une petite conque avec un grand lobule, se remue en cadence quand il entend de la musique...

Les Mammifères à oreille sensible, se comportent tout différemment. Le Chien supporte la voix de basse de l'homme, mais non la voix de soprano de la femme; quand celle-ci chante, il hurle comme lorsqu'il entend des instruments à vent; il paraît moins sensible aux sons des instruments à cordes. Une Chauve-souris oreillard, lorsqu'elle entend de la musique, est prise des plus vives inquiétudes; elle rampe avec ses pattes de devant, pousse de petits cris tremblants; les sons forts lui sont insupportables.

Il est certain que plusieurs autres Mammifères entendent des sons que nous ne percevons plus. Il est bien évident qu'un chat perçoit le bruit que fait une souris en frottant; mais nous ne pouvons déterminer jusqu'à quelle distance il le perçoit; le Fennec entend l'Insecte qui rampe dans le sable à une assez grande distance; le gibier entend le chasseur s'avancer à cent ou deux cents pas.  Mais il faut ici remarquer que les différences de sensibilité que l'on observe ne concernent pas seulement l'intensité des sons, mais aussi leur fréquence. Les Humains ne perçoivent que les sons de fréquence inférieure à 20 kHz, alors que certains Cétacés sont capables d'entendre des sons dont la fréquence atteint 170 kHz (ultrasons). Cette sensibilité aux ultrasons est utilisée par les Cétacés, comme par les Chiroptères et quelques Insectivores comme un instrument d'écholocation ("sonar"). Les Chauves-souris émettent des ultrasons pour se diriger la nuit, les Baleines s'en servent pour localiser leurs congénères.

Vue. 
La vue semble moins développée chez les Mammifères que chez les Oiseaux, surtout chez ceux qui, par suite de la forme du museau, ne peuvent voir à la fois avec les deux yeux. De tous les Mammifères, les vrais Carnivores ont sans conteste la vue la plus perçante; leur oeil a une extrême sensibilité; plusieurs même ne peuvent supporter le jour. Leur iris est très contractile, mais ses mouvements sont involontaires et résultent de l'action de la lumière. Le Chat domestique nous en est un exemple: sa pupille, circulaire à l'obscurité, se rétrécit le jour jusqu'à se réduire à une simple fente. On peut admettre comme règle que tous les Mammifères à pupille ronde sont des animaux diurnes, ou qui voient aussi bien le jour que la nuit, tandis que ceux à pupille allongée ne jouissent de là plénitude de leur faculté visuelle qu'au crépuscule.

L'oeil est atrophié chez beaucoup d'Insectivores et de Rongeurs fouisseurs, ainsi que le Plataniste, Dauphin d'eau douce de l'Inde, mais il ne manque complètement chez aucun Mammifère. Chez d'autres, au contraire, la choroïde forme une couche fortement pigmentée qui reflète la lumière (tapis ou tapetum lucidum des Mammifères nocturnes, Chats, etc.).Il n'existe jamais de peigne comme chez les Oiseaux ni de cercle osseux à la sclérotique comme chez les Vertébrés inférieurs, mais chez tous, excepté chez les Primates les plus élevés, on trouve un muscle rétracteur postérieur du globe oculaire (choanoïde). 

La disposition du muscle oblique supérieur qui passe à travers une poulie tendineuse insérée sur le rebord de l'orbite, est une particularité propre aux Mammifères. Il existe deux paupières, une supérieure et une inférieure, sauf chez les Siréniens où la paupière est circulaire, en forme de sphincter. Chez presque tous les Mammifères; sauf chez les Primates et les Cétacés, il existe une membrane nictitante ou troisième paupière, au-dessous des véritables paupières. Cette membrane, insérée dans l'angle interne de l'oeil, s'étend comme un rideau qui glisse sur une tringle et vient voiler instantanément la cornée transparente lorsqu'elle est frappée trop fortement par les rayons du soleil; chez les Primates, cette membrane est suppléée par le clignement des paupières. La sécrétion des glandes lacrymales maintient humide le globe de l'oeil, et les paupières sont lubrifiées à leur face interne par les glandes de Harder et de Meibomius. Ces glandes ne font défaut que chez les Cétacés, continuellement plongés dans un milieu humide. (A.E. Brehm / E. Trouessart).