Az agyi működések egyszerre titokzatosak és csodálatraméltóak. Az agyból származik minden gondolat, hit és emlék, élmények, viselkedésmódok és a hangulat is. Az agy a gondolkodás székhelye, de egyúttal az egész szervezet irányítója is. Az agy hozza összhangba a mozgást, a tapintást, a szaglást és ízérzést, a hallást és a látást. Lehetővé teszi azt, hogy szavakat formáljunk, megértsük a számokat, és számolni tudjunk velük, zenét szerezzünk és élvezzük azt. Segítségével felismerjük és átlátjuk a mértani alakzatokat, kommunikálunk másokkal, előre tervezünk, sőt akár álmodozunk is.

Az agy a belső szervek, a testfelszín, az orr és a száj területéről, a szemből és fülből érkező összes ingert felfogja, majd azokra a testhelyzet változtatásával, a végtagok mozgatásával, vagy a belső szervek működési ritmusának változtatásával reagál. Az agy képes a hangulatot és az éberség szintjét is módosítani.

Nincs olyan számítógép, amely versenyre kellhetne az emberi agy képességeivel, azonban ennek a kifinomult működésnek ára van: az agy folyamatos táplálásra szorul. Kiugróan magas a folyamatos vér- és oxigénellátás iránti igénye: a szívből jövő vér mintegy 20%-át ez a szervünk kapja. Az agy felé irányuló véráramlás 10 másodpercet meghaladó megszűnése eszméletvesztéshez vezet. Oxigénhiány vagy alacsony vércukor (glükóz) szint, esetleg különböző mérgező anyagok perceken belül az agy működészavarát idézik elő. Mindazonáltal az agy fel van vértezve néhány védelmi mechanizmussal, mellyel az esetek többségében meg tudja előzni ezeket a problémákat. Ha például az agyi véráramlás csökken, az agy azonnal arra ösztönzi a szívet, hogy gyorsabban és erősebben verjen, ezáltal több vért pumpálva ki magából. Amennyiben a vércukorszint esik le, az agy a mellékveséknek üzen, s azok nyomban adrenalint választanak ki, melyre a máj cukortartalékainak mozgósításával reagál.

A nagy oxigén- és tápanyagigény ellenére az agy közvetlenül nem érintkezik a vérrel, attól az ún. vér-agy gát választja el. Ezt a gátat az agyi hajszálerek sejtjei képezik, melyek a szervezet többi hajszálerének sejtjeitől eltérően alkotják a vér-agy gátat, szorosan egymáshoz tapadva helyezkednek el, és így bizonyos mértékig meghatározzák, hogy mely anyag kerülhet be az agyba. (A hajszálerek - más néven kapillárisok - a szervezet legvékonyabb erei, a tápanyagok és az oxigén ezeknek az erecskéknek a falán keresztül kerül a vérből a szövetekbe.) Ez a mechanizmus védi az agy sejtjeit a lehetséges mérgező anyagokkal szemben. Így például a penicillin, számos kemoterápiás szer, továbbá a legtöbb fehérje (mint pl.: a vérben legnagyobb mennyiségben jelenlevő albumin) csupán elenyésző mennyiségben juthatnak be az agyba. Ezzel szemben az alkohol, a kávé, a nikotin és a depresszió ellenes gyógyszerek bejutnak. Vannak olyan, az agy működéséhez nélkülözhetetlen anyagok is, például a glükóz és az aminosavak, melyek maguktól nem képesek áthatolni a vér-agy gáton. Az ilyen nélkülözhetetlen anyagokat a gát transzport rendszerei juttatják át az agyszövetbe.

Az agyműködés az információt feldolgozó és tároló idegsejtek (neuronok) által generált elektromos impulzusok eredménye. Az impulzusok az idegrostokon haladnak végig. Az, hogy az agyi tevékenység milyen mértékű, milyen típusú, illetőleg, hogy az agy mely területén kezdődik, mind az illető egyén tudatállapotától, mind az általa végzett tevékenységtől függ.

Az agynak három része van: a nagyagy (cerebrum), az agytörzs és a kisagy (cerebellum).

A nagyagy (cerebrum) tömör, tekervényes idegszövetből áll. Külső rétege az agykéreg (szürke állomány). Felnőttekben ez a réteg tartalmazza az idegrendszer idegsejtjeinek a legnagyobb részét. Az agykéreg alatt található a fehérállomány, mely főleg idegrostokból tevődik össze. Egy-egy ilyen rost az agykéreg egyes sejtjeit az idegrendszer más pontjaival köti össze.

A nagyagy két féltekéből áll: a jobb és bal agyféltekéből. A két agyféltekét középen a kéregtest (corpus callosum) idegrost-kötege kapcsolja össze. A féltekéket további lebenyekre, a homlok-, a fali, a tarkó-, és a halántéklebenyekre osztjuk.

A homloklebenyek számos akaratlagos tevékenység forrásai: innen indul ki a cselekvés, ha egy minket érdeklő tárgyra pillantunk, ha átmegyünk az utcán, vagy ha ellazítjuk a húgyhólyagunkat vizeléskor. Ugyanezek a lebenyek kontrollálják a tanult mozgásokat, aminek például írás közben, hangszeren való játék alatt vagy a cipőfűző megkötésekor látjuk hasznát. Összetett intellektuális folyamatok is a homloklebenyek hatáskörébe tartoznak: a beszéd, a gondolkodás, a koncentráció, a problémamegoldás és jövőtervezés is. Az arckifejezést és a gesztikulációt ezek a lebenyek ellenőrzik, és egyidejűleg összhangba hozzák azokat a hangulattal és az érzésekkel. A homloklebenyek egyes pontjai speciális mozgásokat irányítanak. Jellegzetes módon ezek a mozgások az érintett lebennyel ellenkező oldalon mennek végbe. A legtöbb emberben a beszéd funkciók jelentős része a bal oldali homloklebenyhez kötődik.

A fali lebenyek a test más részeiből az érzékeléssel kapcsolatos (szenzoros) információkat gyűjtik be, s hatással vannak a testmozgásra. A tárgyak formájáról, tapintatáról és tömegéről gyűjtött információk kombinálásával ezek a lebenyek összefoglaló képet készítenek a tárgyakról. A matematikai és beszédkészségekre is hatással vannak a fali lebenyek, jóllehet ezeket a készségeket inkább a közelfekvő halántéklebeny-területek kontrollálják. A fali lebenyekhez köthető a térbeli emlékezet, melynek segítségével a térben tájékozódunk (tudjuk, hol vagyunk), ill. megtartjuk irányultságunkat (tudjuk, hova megyünk). Hasonlóképp ez a lebeny dolgozza fel azokat az információkat, melyek segítségével testrészeink helyzetét érzékeljük.

A tarkólebenyek dolgozzák föl és értelmezik a látottakat, lehetővé teszik a képi emlékek kialakítását, továbbá egyesítik a vizuális információt a fali lebeny környékbeli területeitől kapott térbeli információval.

A halántéklebenyek az emlékezés és érzések forrásai. Itt alakulnak az aktuális események azonnali és hosszú távú emlékekké, és ezek a lebenyek gondoskodnak az emlékek tárolásáról és felidézéséről is. E lebenyek segítségével fogunk fel hangokat és képeket, s ily módon ismerünk fel más embereket és tárgyakat is, továbbá össze tudjuk kapcsolni a hallás és a beszéd funkcióit.

A nagyagy alapján különböző idegsejt-csoportok - a bazális ganglionok, a thalamus és a hipotalamusz - találhatóak. A bazális ganglionok koordinálják és folyamatossá, kifinomultabbá teszik a mozgásokat. A thalamus feladata az agyvelő legmagasabb szintje (agykéreg) felé és az onnan érkező - érzékeléssel kapcsolatos - információk rendezése s ezáltal a fájdalom, a tapintási és hőingerek tudatosulásához járul hozzá. A hipotalamusz a szervezet számos automatikus funkcióját szabályozza: az alvás-ébrenlét ciklust, a testhőmérséklet fenntartását, az étvágyat és testünk vízháztartásának egyensúlyát.

A limbikus rendszernek nevezett idegrostrendszer a hipotalamuszt a homlok- és halántéklebenyek más területeivel, többek között a hippocampusszal és az amygdalával köti össze. A limbikus rendszernek jelentős szerepe van az érzések megélésében és kifejezésében, de a szervezet automatikus működéseit is szabályozza. Az érzelmek, mint például a félelem, a düh, az öröm és a szomorúság kialakításával a limbikus rendszer olyan viselkedésformákat tesz lehetővé, melyek segítségével az egyén könnyebben osztja meg testi és lelki gondjait másokkal, és teszi túl magát rajtuk. A hippocampus részt vesz az emlékek kialakításában és felidézésében is. A limbikus rendszerre vezethető vissza az is, hogy jobban emlékezünk arra, amihez érzelmi szálak kötnek minket, mint az érzelmi töltöttség nélküli eseményekre.

Az agytörzs köti össze a nagyagyat a gerincvelővel. Az agytörzs felső részének mélyén található az az idegsejtekből és rostokból álló rendszer, amely az (eszmélet és az) éberség szintjét határozza meg, s ez a reticulosis aktiváló rendszer. Az agytörzs továbbá automatikusan szabályoz néhány létfontosságú életműködést: a légzést, a nyelést, a vérnyomást és a szívverést, s emellett a testtartás szabályozásában is szerepet játszik. Az agytörzs nagy kiterjedésű, súlyos károsodása eszméletvesztéshez, s ez a létfontosságú automatikus funkciók megszűnésével rövid időn belül halálhoz vezet.

A kisagy (cerebellum) a nagyagy alatt és közvetlenül az agytörzs fölött helyezkedik el, és a mozgások koordinációjában tölt be jelentős szerepet. A kisagy az agykéregből és a bazális ganglionokból kap a végtagok helyzetére vonatkozó információkat, és ezek felhasználásával kifinomult és pontos végtagmozgásokat tesz lehetővé, amit az izmok tónusának és a testtartásnak állandó módosításával ér el. A kisagy együttműködik az agytörzsben található vestibularis magokkal, melyek a belső fül egyensúlyi szervével, a félkörös ívjáratokkal állnak összeköttetésben. Ezeknek a szerveknek az összhangja hozza létre az egyensúlyérzést. A kisagy a begyakorolt mozgásokról is tárol információt, és így lehetővé teszi, hogy a nagyfokú koordinációt igénylő mozgásokat is gyorsan és egyensúlyvesztés nélkül ki tudjuk vitelezni, gondoljunk például a ballett táncosok piruettjére.

A nagyagyat és a gerincvelőt az agyhártyák (meninxek) hármas rétege borítja. A legbelső réteg a lágyagyhártya (pia mater), amely ráfekszik az agyra és gerincvelőre. A középső réteg finom, pókháló-szerű: pókháló-hártyának vagy arachnoideának is nevezik. A lágyagyhártya és a pókháló-hártya közötti rést, a szubarachnoideális rést az agyvíz, más néven cerebrospinalis folyadék tölti ki, amely részt vesz a központi idegrendszer védelmében. A cerebrospinalis folyadék az agyhártyák között az agyfelszínén áramlik, kitölti az agyban lévő üregeket (a négy kamrát), és mintegy párnaként védi az agyat a véletlen ütődésektől és kisebb sérülésektől. A bőrszerű kemény agyhártya (dura mater) képezi az agyhártyák legkülső, s egyben legkeményebb rétegét. Az agyat és az agyhártyákat egy szilárd, csontos védőszerkezet, a koponya veszi körbe.