章魚（以及墨魚）有著無脊椎動物中最高的大腦-身體比重，甚至也高於許多脊椎動物。章魚的大腦位於一個軟骨腔內，其中僅包含了其複雜神經系統的一部分，剩餘的分布在身體各處。其中，有三分之二的神經索位於章魚的觸手，這使它們可以繞過大腦進行複雜的反射活動，當中的軸向神經索以神經環連結。而最靠近吸盤的肌肉神經索會與相鄰兩隻腕的另一隻腕連結。與脊椎動物不同，章魚的運動並不是由大腦通過軀幹對映圖來統一協調的