Lillehjernen er den «lille hjernen» som ligger gjemt under occipitallappene bakerst i hodeskallen. Til tross for sin beskjedne størrelse inneholder den flere nevroner enn resten av hjernen til sammen, ordnet i et svært regelmessig kretssystem.

Dens klassiske rolle er koordinering av frivillige bevegelser, opprettholdelse av holdning og balanse, og utjevning av motorisk ytelse. Skade forårsaker ataksi – ustø gange, intensjonsskjelv og vansker med raske alternerende bevegelser – uten lammelse. Lillehjernen deltar også i motorisk læring; den hjelper nervesystemet med å justere bevegelser basert på feil tilbakemeldinger. Nyere bevis impliserer den også i visse kognitive og emosjonelle funksjoner, selv om den motoriske rollen fortsatt er primær.

Sensorisk informasjon om kroppens posisjon og fremdriften av pågående bevegelser strømmer inn i lillehjernen, som sammenligner den tiltenkte handlingen med det faktiske resultatet og sender ut korrigerende signaler. Prosessen er i stor grad ubevisst. Når en pianists fingre lander nøyaktig på tangentene eller en rullator kommer seg etter en snubling, har lillehjernen utført sin kontinuerlige kalibrering.

Grasiøs, veltimet bevegelse er lillehjernens signaturbidrag.