Smegenyse esančių neuronų funkcija yra apdoroti vidinį ir išorinį žmogaus kūno gaunamą įvestį ir užtikrinti, kad kūnas toliau tinkamai funkcionuotų. Atskiri neuronai šios funkcijos neatlieka patys, tačiau smegenyse kartu dirbantis neuronų kolektyvas tvarko visus dirgiklius, ateinančius iš kūno vidaus ir išorės. Kiekvienas neuronas yra elektriškai sužadinama ląstelė, kuri cheminiais ir elektriniais signalais perduoda informaciją kitiems neuronams, o sujungti neuronų grupių signalai smegenyse leidžia kruopščiai apdoroti atsakus į įvestį.
Perduodami signalus vienas kitam, smegenų neuronai remiasi tiek cheminiais, tiek elektriniais duomenimis. Cheminiai signalai tarp neuronų perduodami neurotransmiteriais, kurie yra mažos molekulės, kurios dreifuoja iš vieno neurono į kitą, kad tęstų savo kelią. Elektriniai signalai perduoda duomenis per pačius neuronus, keliaujantys nuo jų kilmės imtuvuose, vadinamuose dendritais, kol pasiekia neurono galą, kur cheminė signalizacija turi perimti viršų. Daugelis žmonių sutrikimų, kurių kai kurie yra gydomi, o kiti yra sekinantys, yra elektrinių ar cheminių signalų perdavimo tarp smegenų neuronų klaidų rezultatas.
Visi smegenų neuronai yra struktūriškai panašūs, nors skirtingi smegenų regionai gali turėti šiek tiek skirtingas neuronų struktūras. Skirtingos struktūros suteikia konkrečioms neuronų grupėms ypatingų galimybių, todėl skirtingos smegenų sritys yra specializuotos skirtingoms užduotims atlikti. Pavyzdžiui, regos žievė tvarko įvestį iš akių, o motorinė žievė – judėjimą. Kiekviena smegenų sritis yra kažkam specializuota, o įvairios smegenų sritys dažnai dirba kartu atliekant įprastines užduotis. Populiariojoje kultūroje paplitusi klaidinga nuomonė, kad žmonės naudoja tik nedidelę savo smegenų dalį, bet iš tikrųjų tai netiesa; visos smegenys yra nuolatos naudojamos kasdien.
Mokslas parodė, kad smegenyse esantys neuronai yra daug labiau prisitaikantys, nei buvo manyta anksčiau. Daugelį metų buvo manoma, kad jei smegenys būtų pažeistos, tų paveiktų neuronų funkcija būtų visam laikui ir negrįžtamai prarasta. Daugybė naujesnių tyrimų parodė, kad smegenys gali keisti funkcijas per alternatyvius nervinius kelius, žinomus kaip plastiškumas. Kai kurie žmonės, kurių smegenų regos centrai yra pažeisti, vis dar mato, o kai kurie žmonės, kuriems trūksta pusės smegenų, gali veikti gana normaliai.