El sistema nervioso central de la mayor parte de los peces consiste en una médula espinal, un gran cerebelo, un par de lóbulos ópticos, un cerebro pequeño y una médula oblongada o bulbo raquídeo. La forma y tamaño de las diversas partes del cerebro varían mucho de una especie a otra. Los ojos tienen cristalinos casi esféricos con una córnea aplanada. La totalidad de la lente del ojo se mueve hacia adelante y hacia atrás respecto a la retina para enfocar la vista a diferentes distancias. Los ojos de algunos peces cavernícolas que viven en total oscuridad son rudimentarios o están ausentes.

Los peces huelen por medio de un par de orificios nasales dobles que conducen a una cámara olfativa; muchos de ellos detectan los estímulos olfativos a través de órganos sensoriales o tentáculos (barbelos) que llevan alrededor de la boca o en otras partes del cuerpo.

Los peces oyen sin ayuda de oídos externos. Las vibraciones del sonido son transmitidas a través de los huesos hasta el cráneo y un oído interno que contiene tres canales semicirculares, el cual actúa también como órgano del equilibrio.

Los peces tienen también órganos sensoriales especiales llamados líneas laterales; consisten en canales que recorren los costados de la cabeza y el cuerpo y están comunicados con el exterior por medio de pequeños poros. La principal función de la línea lateral es detectar vibraciones de una frecuencia muy baja, pero en algunas especies también puede detectar campos eléctricos de poca potencia.