Xử lý song song là khả năng của não bộ trong việc xử lý nhiều khía cạnh của một kích thích cùng một lúc. Các đặc điểm khác nhau được phân tích đồng thời chứ không phải lần lượt từng cái một.

Trong thị giác, màu sắc, chuyển động, hình dạng và chiều sâu được trích xuất bởi các con đường riêng biệt hoạt động đồng thời và sau đó được kết hợp thành một nhận thức thống nhất. Nguyên tắc tương tự xuất hiện trong các lĩnh vực khác: khi nghe lời nói, các phân tích âm thanh, ngữ âm và ngữ nghĩa diễn ra song song; khi thực hiện một hành động khéo léo, nhiều nhóm cơ được phối hợp cùng một lúc. Xử lý song song cho phép xử lý nhanh chóng và hiệu quả các thông tin đầu vào phức tạp mà nếu mỗi bước đều được thực hiện tuần tự thì sẽ vô cùng chậm.

Vấn đề liên kết – làm thế nào các đặc điểm được xử lý riêng lẻ được kết hợp lại thành các đối tượng mạch lạc – vẫn là một câu hỏi nghiên cứu đang được quan tâm. Sự chú ý và hoạt động thần kinh đồng bộ là những ứng cử viên hàng đầu cho cơ chế liên kết. Các rối loạn làm gián đoạn quá trình xử lý song song có thể khiến một người có khả năng phát hiện các đặc điểm riêng lẻ nhưng không thể tích hợp chúng.

Sự phong phú của nhận thức thông thường phụ thuộc vào nhiều phân tích diễn ra đồng thời.