El procesamiento paralelo es la capacidad del cerebro para procesar simultáneamente muchos aspectos de un estímulo. Se analizan diferentes características al mismo tiempo, en lugar de una tras otra.

En la visión, el color, el movimiento, la forma y la profundidad se extraen mediante vías separadas que operan simultáneamente y que posteriormente se integran en una percepción unificada. Este mismo principio se observa en otros ámbitos: al escuchar el habla, los análisis acústico, fonético y semántico se desarrollan en paralelo; al realizar una acción compleja, se coordinan varios grupos musculares a la vez. El procesamiento paralelo permite gestionar de forma rápida y eficiente información compleja que sería imposiblemente lenta si cada paso fuera estrictamente secuencial.

El problema de la integración —cómo se recombinan las características procesadas por separado para formar objetos coherentes— sigue siendo objeto de investigación activa. La atención y la actividad neuronal sincronizada son las principales candidatas para explicar este mecanismo. Los trastornos que alteran el procesamiento paralelo pueden provocar que una persona sea capaz de detectar características individuales, pero incapaz de integrarlas.

La riqueza de la percepción cotidiana depende de que se realicen muchos análisis simultáneamente.