Con đường chung cuối cùng từ hệ thần kinh đến cơ xương là tế bào thần kinh vận động. Thân tế bào nằm ở tủy sống hoặc thân não; sợi trục của nó thoát ra qua rễ thần kinh bụng hoặc dây thần kinh sọ và tiếp hợp với các sợi cơ tại khớp thần kinh cơ.

Một tế bào thần kinh vận động và các sợi cơ mà nó chi phối tạo thành một đơn vị vận động. Các đơn vị vận động nhỏ cho phép điều khiển chính xác; các đơn vị lớn tạo ra lực mạnh hơn. Các tế bào thần kinh vận động tích hợp các tín hiệu đầu vào từ các sợi thần kinh cảm giác hướng tâm, các tế bào thần kinh trung gian và các đường dẫn truyền đi xuống trước khi quyết định có phát xung hay không. Tốc độ phát xung và thứ tự kích hoạt của chúng quyết định lực và thời điểm co cơ.

Sự thoái hóa của các tế bào thần kinh vận động gây ra chứng suy yếu dần dần của bệnh xơ cứng teo cơ (ALS) và các bệnh liên quan. Độc tố và các cuộc tấn công tự miễn dịch tại khớp thần kinh cơ cũng làm suy giảm khả năng vận động. Vì các tế bào thần kinh vận động có kích thước lớn và dễ tiếp cận, chúng được sử dụng làm tế bào mẫu để nghiên cứu tính dễ kích thích, dẫn truyền synap và cơ chế bệnh tật.

Mọi chuyển động tự nguyện cuối cùng đều phụ thuộc vào sự hoạt động ổn định của các tế bào này.