Lillehjernen er den "lille hjerne", der er gemt under occipitallapperne bagest i kraniet. Trods sin beskedne størrelse indeholder den flere neuroner end resten af ​​hjernen tilsammen, arrangeret i et meget regelmæssigt kredsløb.

Dens klassiske rolle er koordinering af frivillige bevægelser, opretholdelse af kropsholdning og balance samt udjævning af motorisk output. Skader forårsager ataksi – usikker gang, intentionsrysten og vanskeligheder med hurtige, alternerende bevægelser – uden lammelse. Lillehjernen deltager også i motorisk læring; den hjælper nervesystemet med at justere bevægelser på baggrund af fejlfeedback. Nyere beviser peger også på, at den spiller en rolle i visse kognitive og følelsesmæssige funktioner, selvom den motoriske rolle fortsat er den primære.

Sensorisk information om kroppens position og bevægelsernes fremskridt strømmer ind i lillehjernen, som sammenligner den tilsigtede handling med det faktiske resultat og udsender korrigerende signaler. Processen er stort set ubevidst. Når en pianists fingre lander præcist på tangenterne, eller en rollator kommer sig efter et snublen, har lillehjernen udført sin kontinuerlige kalibrering.

Yndefuld, veltimet bevægelse er lillehjernens karakteristiske bidrag.