Ptaki odznaczają się silnym rozwojem ośrodkowego układu nerwowego. Podobnie jak ssaki, ptaki dzięki stałocieplności mogą posiadać tak kosztowny pod względem energetycznym narząd jak duży mózg. Szczególnie rozbudowany jest móżdżek. Ta część mózgowia odpowiada za orientację przestrzenną, koordynację ruchów i równowagę. Ma to decydujące znaczenie dla sprawnych i szybko manewrujących lotników. Dobrze rozwinięte są również półkule mózgowe. Niektóre ptaki, zwłaszcza krukowate i papugi, odznaczają się całkiem sporą inteligencją (i to nie dlatego, że powtarzają zasłyszane wypowiedzi ludzi...). O uzdolnieniach ptaków świadczy choćby ich zdolność do posługiwania się „narzędziami”, na przykład jedna z zięb Darwina z Wyspy Galapagos wydłubuje owady kolcem kaktusa.
