Az állatok idegrendszerének legősibb típusú felépítése a csalánozók testében figyelhető meg. A neuronok behálózzák a testet, diffúz idegrendszert hoznak létre. A hálózatos felépítés elemei kisebb-nagyobb mértékben megmaradtak az evolúció során, de egyre inkább a központosulás lett a jellemző. A diffúz idegrendszert felváltotta a dúcidegrendszer. Ennek jellemzője, hogy az állat testében a neuronok kisebb központokba, dúcokba tömörültek. A dúcok kialakulásával a neuronok nyúlványai meghosszabbodnak, az egy irányba futó idegrostok kötegeket alkotnak. A kötegekből kilépő idegrostok az állat egész testét behálózzák. Ezzel kialakult a dúcokból álló központi idegrendszer és az idegrostok és kötegek hálózatából álló környéki idegrendszer. A kétoldali szimmetria megjelenése után a feji végen az érzékelősejtek (majd szervek) fokozott központosulása figyelhető meg: feji dúcok, majd az agy.

A laposférgek idegrendszere még hasonlít a diffúz idegrendszerre – kiterjedt idegrosthálózat, de már van két hosszanti idegköteg. A feji területen két agydúc található, főleg érzékelősejtek, melyek egy része fényérzékelő szemfoltok formájában tömörül.

A gyűrűsférgek idegrendszerében jól elkülöníthetők egymástól az agydúcok és a szelvényenként ismétlődő hasi dúcok láncolata. A dúcokat idegrostok kötegei kapcsolják egymással össze, kialakítva ezzel az egységes központi idegrendszert. Minden hasi dúcból mozgató- és érző neuronok idegrostjai nyúlnak ki oldalra és ezek a nyúlványok a dúcokban kapcsolódnak össze, ahol interneuronok is találhatók. A gyűrűsférgek idegrendszerében már a támasztósejtek is megtalálhatók, amelyek vékony burkot képeznek az axonok köré és kitöltik az idegrostok szövedékeinek hézagait.

A puhatestűeknél fej-, láb- és zsigerdúc figyelhető meg, de a fejlábúaknál fejlett agy alakult már ki. Ehhez kapcsolódik a fejlett érzékszerv, a hólyagszem, ami a gerincesek szeméhez hasonló felépítésű. Magát az agyat egy porcos tok védi – ezt hívjuk szépia csontnak.

Az ízeltlábúak idegrendszere sok rokon vonást mutat a gyűrűsférgek idegrendszerének felépítésével – dúcok, idegrostok kötegeinek hasonló elrendeződése. Itt azonban az agyi dúcok összeolvadtak, kialakult az agy, ami szoros kapcsolatban van a fej területére összpontosuló érzékszervekkel: külső rész – szemek, középső – csápok (szaglás), szájszervek (íz). Az agyban találhatók a hormonális rendszerrel kapcsolatot tartó neuroszekréciós sejtek is. A neuronokból és támasztósejtekből felépülő agy folytatása az egész testen végigvonuló dúclánc. A dúcokat hosszanti és keresztirányban futó idegrostok kötegei kapcsolják egységes rendszerré – egész szervezetet behálózza, mint környéki idegrendszer. A gerinctelen állatok közül az ízeltlábúaknak vannak a legfejlettebb érzékszerveik. A csápon a szaglás szervei helyezkednek el – feromonok néhány molekulája elég (cserebogár több száz méterről, gyapjaslepke hímje több kilométerről érzi). A hangot adó rovaroknak hallószervük is van (lábak vagy potrohszelvény oldalán vékony hártya). Jellemző szervük az összetett szem, ami több száz egyszerű szemből adódik össze. Kitinlencse, kristálykúpot közrefogják a pigmentsejtek (mindegyik önálló), ez után következnek a fényérzékelő sejtek, amikhez érzőrost kapcsolódik. Ez már kép-, iránylátó szem. Az emberi szemnél nagyobb látótérrel és felbontóképességgel (ember 50 kép/sec – mozgókép, rovar 200 kép/sec – külön érzékeli), de kisebb látásélességgel rendelkezik.

A gerincesekben érte el legmagasabb fokát az idegrendszer központosulásának evolúciós folyamata. Megnőtt az idegsejtek száma és ezek többsége az agyban koncentrálódott. Az egyes idegsejtek közötti kapcsolatok száma és bonyolultsága is növekedett. Ezek által megnőtt az idegrendszer információfelvevő, -tároló, -feldolgozó képessége. Többféle válaszreakció, bonyolultabb viselkedés a jellemző, mint a többi törzsben. A gerincesek központi idegrendszere az egyedfejlődés során a fejlődő embrió úgynevezett velőcsövéből keletkezik. Ezért is nevezzük csőidegrendszernek. A velőcső törzsi részéből a gerincvelő, feji végéből pedig az agyvelő alakul ki. A gerincesek agya három részre tagolható: elő- (nagy-, köztiagy), közép-, utóagy (kis-, nyúltagy, híd). Az egyes gerinces osztályok között az agy fejlődésében a legnagyobb különbség a nagyagy eltérő terjedelmében és differenciált működésében tapasztalható (például emberi agy). A gerincesek környéki idegrendszerét az agyidegek (12), a gerincvelői idegek (31) és a különböző dúcok képezik. A gerincesek idegrendszerének alapegységei a legkülönbözőbb működésre specializálódott neuronok, hosszabb-rövidebb nyúlványaikkal és a hozzájuk kapcsolódó támasztósejtekkel.