Le traitement parallèle est la capacité du cerveau à traiter simultanément de nombreux aspects d'un stimulus. Différentes caractéristiques sont analysées en même temps plutôt que l'une après l'autre.

En vision, la couleur, le mouvement, la forme et la profondeur sont extraits par des voies distinctes fonctionnant simultanément, puis combinés en une perception unifiée. Ce même principe s'applique à d'autres domaines : lors de l'écoute de la parole, les analyses acoustiques, phonétiques et sémantiques se déroulent en parallèle ; lors de l'exécution d'une action complexe, plusieurs groupes musculaires sont coordonnés simultanément. Le traitement parallèle permet un traitement rapide et efficace d'informations complexes qui serait extrêmement lent si chaque étape était strictement séquentielle.

Le problème de l'intégration – comment les informations traitées séparément sont recombinées en objets cohérents – demeure une question de recherche active. L'attention et l'activité neuronale synchronisée sont des candidats de choix pour expliquer ce mécanisme d'intégration. Les troubles qui perturbent le traitement parallèle peuvent empêcher une personne de détecter des informations individuelles et de les intégrer.

La richesse de la perception ordinaire dépend de nombreuses analyses menées simultanément.