Lillhjärnan är den "lilla hjärnan" som är gömd under nackloberna längst bak i skallen. Trots sin blygsamma storlek innehåller den fler neuroner än resten av hjärnan tillsammans, arrangerade i en mycket regelbunden krets.

Dess klassiska roll är koordinering av viljestyrda rörelser, upprätthållande av hållning och balans samt utjämning av motorisk prestation. Skador orsakar ataxi – ostadig gång, intentionstremor och svårigheter med snabba alternerande rörelser – utan förlamning. Lillhjärnan deltar också i motorisk inlärning; den hjälper nervsystemet att justera rörelser baserat på felåterkoppling. Nyare bevis pekar på att den även är involverad i vissa kognitiva och emotionella funktioner, även om den motoriska rollen fortfarande är primär.

Sensorisk information om kroppens position och hur pågående rörelser fortskrider strömmar in i lillhjärnan, som jämför den avsedda handlingen med det faktiska resultatet och utfärdar korrigerande signaler. Processen är till stor del omedveten. När en pianists fingrar landar korrekt på tangenterna eller en rullator återhämtar sig från ett snubblande, har lillhjärnan utfört sin kontinuerliga kalibrering.

Graciösa, vältajmade rörelser är lillhjärnans kännetecken.