Les informations relatives au monde extérieur et à l'état interne du corps pénètrent dans le système nerveux par l'intermédiaire des neurones sensoriels. Ces cellules transforment les stimuli physiques ou chimiques en signaux électriques et les transmettent au système nerveux central.

Leurs corps cellulaires se situent souvent dans les ganglions périphériques ; un unique prolongement long s’étend vers l’extérieur jusqu’à la terminaison sensorielle et vers l’intérieur jusqu’à la moelle épinière ou le tronc cérébral. Différentes classes de neurones sensoriels sont sensibles au toucher léger, à la douleur, à la température, à l’étirement musculaire, à la position articulaire ou aux signaux viscéraux. Dans les sens spéciaux, les cellules réceptrices font synapse avec les neurones sensoriels qui transmettent l’information au système nerveux central.

La spécificité des neurones sensoriels détermine la qualité de la sensation perçue. Une lésion peut entraîner un engourdissement, une douleur ou la perte de certaines modalités sensorielles. Leurs axones, situés dans les nerfs périphériques, les rendent vulnérables aux mêmes lésions et maladies que les axones moteurs ; toutefois, leurs connexions centrales et leurs terminaisons périphériques leur confèrent des propriétés de régénération et de signalisation distinctes.

Chaque perception commence par l'activation d'un ensemble de neurones sensoriels.