O cerebelo é o "pequeno cérebro" localizado sob os lobos occipitais, na parte posterior do crânio. Apesar do seu tamanho modesto, contém mais neurónios do que o resto do cérebro combinado, organizados num circuito altamente regular.

A sua função clássica é a coordenação dos movimentos voluntários, a manutenção da postura e do equilíbrio e a suavização da produção motora. As lesões nesta estrutura produzem ataxia — marcha instável, tremor intencional e dificuldade com movimentos alternados rápidos — sem provocar paralisia. O cerebelo participa também na aprendizagem motora; auxilia o sistema nervoso a ajustar os movimentos com base no feedback de erros. Evidências mais recentes implicam-no também em certas funções cognitivas e emocionais, embora a sua função motora continue a ser primordial.

A informação sensorial sobre a posição do corpo e o progresso dos movimentos em curso chega ao cerebelo, que compara a ação pretendida com o resultado real e emite sinais corretivos. O processo é em grande parte inconsciente. Quando os dedos de um pianista tocam as teclas com precisão ou quando um peão recupera de um tropeção, o cerebelo realizou a sua calibração contínua.

Movimentos graciosos e bem sincronizados são a principal contribuição do cerebelo.