Le cervelet est le « petit cerveau » niché sous les lobes occipitaux, à l'arrière du crâne. Malgré sa taille modeste, il contient plus de neurones que le reste du cerveau réuni, organisés en un circuit très régulier.

Son rôle classique est la coordination des mouvements volontaires, le maintien de la posture et de l'équilibre, ainsi que la régulation motrice. Une lésion du cervelet entraîne une ataxie (démarche instable, tremblements intentionnels et difficultés à effectuer des mouvements alternés rapides), sans paralysie. Le cervelet participe également à l'apprentissage moteur ; il aide le système nerveux à ajuster les mouvements en fonction des erreurs détectées. Des données plus récentes suggèrent son implication dans certaines fonctions cognitives et émotionnelles, même si son rôle moteur demeure prédominant.

Les informations sensorielles relatives à la position du corps et à la progression des mouvements en cours sont transmises au cervelet, qui compare l'action prévue au résultat obtenu et émet des signaux correctifs. Ce processus est en grande partie inconscient. Lorsqu'un pianiste pose ses doigts avec précision sur les touches ou qu'une personne se rattrape après avoir trébuché, le cervelet a effectué son étalonnage continu.

Un mouvement gracieux et bien synchronisé est la contribution caractéristique du cervelet.