뇌
척추동물의 두뇌 진화는 대뇌를 포함한 전뇌의 부피증가가 특징적이다. 원시어류의 경우 척추 앞부분에 약간 부풀어오르는 돌기모양의 뇌를 갖는다. 그보다 조금 더 발달한 어류는 원시어류에 비해 약간 큰 1~2g 정도의 돌기를 갖게 되었다. 이 돌기가 고등 동물의 후뇌, 뇌간, 중뇌에 해당된다.
영장류
영장류는 두개골 전면의 얼굴에 앞을 향한 눈을 지니고 있다; 양안시는 거리를 정확하게 지각하고, 모든 유인원의 선조들이 나무가지를 팔로 매달리며 건너다니기 유용하도록 해주었다. 안와 위에 일종의 뼈가 융기된 곳이 있다; 이 융기된 곳은 씹는 동안에 피로가 쌓이는 얼굴 내의 약한 뼈들을 보강해 준다. 곡비원류는 눈을 보호하기 위해 안와 둘레에 일종의 후안와봉을 가지고 있다; 반면에, 더 고등한 영장류인, 직비원류는 완전히 진화된 안와를 지니고 있다.
영장류 두개골은 둥글고 큰 덮개를 가지고 있으며, 특히 안드로포이드(anthropoid)에게 두드러진 특징이다. 두개골 덮개는 이 집단의 구별되는 특징의 하나인, 큰 뇌를 보호하는 역할을 한다. 뇌용적(두개골 내의 부피)은 일종의 뇌 크기를 반영하며, 사람이 나머지 영장류들보다 세 배나 크다. 평균 뇌용적은 사람이 1201 cm, 고릴라가 469 cm, 침팬지가 400 cm 그리고 오랑우탄이 97 cm이다. 영장류 진화의 주요 방향은 두뇌의 정교화에 있으며, 특히 감각 인지와 운동 명령의 생성, 공간 추론, 의식적인 사유 그리고 사람의 언어와 관련이 있는 신피질 (대뇌 피질의 일부분)에 있다. 다른 포유류들이 후각에 상당히 의존하는 반면에, 영장류들의 수상(樹上) 생활은 일종의 촉각과, 시각을 지배적인 감각 기관으로 이끌었으며, 뇌에서 후각을 담당하는 부분의 축소와 복잡한 사회적 행동의 증가를 낳았다.
영장류는 원래 각 손발에 5개의 손발가락(五指)을 가지고 있으며, 각 손발가락의 끝에는 각질로 된 손발톱이 있다. 손발의 바닥 면은 손발의 끝에 민감한 피부를 지니고 있다. 대부분 영장류의 특징 중 하나인 마주보게 할 수 있는 손가락을 가지고 있다. 그러나 마주보게 할 수 있는 손가락은 영장류만 있는 것은 아니다(예를 들어, 주머니쥐도 가지고 있다.). 일부 종들은 엄지손가락을 통해 도구를 사용할 수 있다. 영장류에서, 마주보게 할 수 있는 손가락들의 배합, 즉 짧은 손발톱(고양이 매 따위의 발톱이기 보다는)과 길고 안쪽으로 접히는 손가락들은 나무 가지를 움켜쥐던 습성의 영장류 선조들의 유물 중 하나이며, 부분적으로, 일부 종들에게 매우 중요한 이동수단으로써 팔로 매달리며 건너다닐 수 있는 기술을 발달시켜 주었다. 원원류는 각 발의 두 번째 발가락에 고양이 매 따위의 발톱과 같이 생긴 발톱이 있으며, "몸단장용-발톱"이라고 부르며, 털을 손질할 때 사용한다.