小腦是位於顱骨後部枕葉下方的「小腦」。儘管體積不大，但它所含的神經元數量卻比大腦其他部分加起來還要多，而且這些神經元排列成高度規則的迴路。

小腦的經典功能是協調自主運動、維持姿勢和平衡，以及平滑運動輸出。小腦損傷會導致共濟失調——步態不穩、意向性震顫以及快速交替運動困難——但不會導致癱瘓。小腦也參與運動學習；它幫助神經系統根據誤差回饋調整運動。更新近的研究表明，小腦也參與某些認知和情緒功能，但其主要功能仍是運動功能。

關於身體位置和運動進程的感覺訊息流入小腦，小腦將預期動作與實際結果進行比較，並發出糾正訊號。這個過程很大程度上是無意識的。當鋼琴家的手指準確地落在琴鍵上，或行人從絆倒中恢復過來時，小腦就完成了其持續的校準。

優雅、適時的運動是小腦的標誌性貢獻。