La información sobre el mundo exterior y el estado interno del cuerpo ingresa al sistema nervioso a través de las neuronas sensoriales. Estas células transforman los estímulos físicos o químicos en señales eléctricas y las transmiten hacia el sistema nervioso central.

Sus cuerpos celulares suelen ubicarse en ganglios periféricos; una única prolongación se extiende hacia afuera hasta la terminación sensorial y hacia adentro hasta la médula espinal o el tronco encefálico. Diferentes clases de neuronas sensoriales están sintonizadas con el tacto ligero, el dolor, la temperatura, el estiramiento muscular, la posición articular o las señales viscerales. En los sentidos especiales, las células receptoras hacen sinapsis con las neuronas sensoriales que transmiten la información al sistema nervioso central.

La especificidad de las neuronas sensoriales determina la calidad de la sensación que finalmente se percibirá. El daño produce entumecimiento, dolor o pérdida de ciertas modalidades sensoriales. Debido a que sus axones discurren por los nervios periféricos, las neuronas sensoriales son vulnerables a las mismas lesiones y enfermedades que afectan a los axones motores; sin embargo, sus conexiones centrales y terminaciones periféricas les confieren propiedades regenerativas y de señalización distintivas.

Toda percepción comienza con la activación de un conjunto de neuronas sensoriales.