Limbinė sistema, esanti tiesiai po smegenimis, yra smegenų struktūrų, kurios atlieka keletą užduočių, susijusių su atmintimi ir emocijomis, serija. Ryšys tarp limbinės sistemos ir emocijų yra taip gerai suformuotas, kad kai kurie tyrinėtojai šią sistemą vadina „emocinėmis smegenimis“. Evoliuciniu požiūriu ši sistema yra gana sena ir yra net žemesniųjų žinduolių smegenyse, todėl ji taip pat žinoma kaip paleomammalinio smegenys.
Šioje sistemoje yra keletas struktūrų, įskaitant migdolą, hipokampą, pagumburį, forniksą ir pertvarą. Netoliese esanti limbinė skiltis taip pat yra esminis komponentas, jungiantis limbinę sistemą ir emocijas. Kai kurios kitos čia paminėtos struktūros taip pat vaidina emocinio reguliavimo vaidmenį.
Nė viena struktūra nėra visiškas priežastinis veiksnys tarp limbinės sistemos ir emocijų. Šios struktūros padeda reguliuoti tam tikras emocines būsenas, tačiau visiškai nesukelia emocijos. Tačiau specifinės struktūros padeda reguliuoti tam tikrus emocinio elgesio rinkinius.
Migdolinis kūnas yra viena iš pagrindinių struktūrų, padedančių formuotis emociniams prisiminimams. Migdolinio kūno suaktyvinimas nuo grėsmingo dirgiklio priverčia šią struktūrą dirbti su hipokampu, kad ją atsimintų. Kai vėl susiduriama su tuo pačiu dirgikliu, ši struktūra sukelia baimės reakciją. Taip pat atrodo, kad tai susiję su pykčiu, meile ir seksualiniais atsakymais. Gyvūnai, neturintys migdolinio kūno, nerodys motinystės instinktų ar įniršio požymių, nereaguos į grėsmingus ar seksualiai jaudinančius dirgiklius.
Tam tikros talamo ir pagumburio sritys padeda išreikšti emocijas, bet jų negeneruoja. Atrodo, kad priekiniai talamo branduoliai daro įtaką žmonių reakcijai į emocinius dirgiklius. Pagumburio šonuose arba šoninėse srityse yra branduoliai, susiję su malonumo ir pykčio išraiška. Nepatenkinimą ir pasibjaurėjimą dirgikliams sukelia centras arba medialinė sritis.
Žievė taip pat padeda prisijungti prie limbinės sistemos ir emocijų. Vienas limbinės žievės komponentas, cigulinis giras, padeda kontroliuoti kraujospūdį ir širdies ritmą. Tai taip pat sukelia emocinę reakciją į skausmą. Be to, tai gali atlikti vaidmenį išreiškiant pyktį. Laukiniai gyvūnai, kuriems išimta ši smegenų sritis, nerodo agresijos.
Vadinamieji „malonumo centrai“ ventralinėje tegmentinėje srityje rodo kitą ryšį tarp limbinės sistemos ir emocijų. Šių ląstelių veikla sukelia cheminio dopamino išsiskyrimą. Dopaminas gali sukelti malonius jausmus, nuo lengvo pasitenkinimo iki stiprių jausmų, primenančių seksualinį pasitenkinimą.