Informațiile despre lumea externă și starea internă a corpului intră în sistemul nervos prin intermediul neuronilor senzoriali. Aceste celule transmit stimulii fizici sau chimici în semnale electrice și le transmit către sistemul nervos central.

Corpurile lor celulare se află adesea în ganglionii periferici; un singur proces lung se extinde spre exterior până la terminația senzorială și spre interior până la măduva spinării sau trunchiul cerebral. Diferite clase de neuroni senzoriali sunt reglate la atingere ușoară, durere, temperatură, întindere musculară, poziție articulară sau semnale viscerale. În simțurile speciale, celulele receptoare fac sinapsă cu neuronii senzoriali care transportă informațiile central.

Specificitatea neuronilor senzoriali determină calitatea senzației care va fi percepută în cele din urmă. Deteriorarea produce amorțeală, durere sau pierderea anumitor modalități senzoriale. Deoarece axonii lor călătoresc în nervii periferici, neuronii senzoriali sunt vulnerabili la aceleași leziuni și boli care afectează axonii motori, însă conexiunile lor centrale și terminațiile periferice le conferă proprietăți regenerative și de semnalizare distincte.

Fiecare percepție începe cu activarea unui set de neuroni senzoriali.