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.
대뇌
포유류, 특히 영장류의 대뇌는 더욱 발달하여 피질이 대뇌 반구의 거의 대부분을 덮는다. 옛겉질은 뇌의 배쪽 표면으로 밀려 후각엽이 되고, 원시겉질은 가운데 등쪽 가장자리로 말려 올라가 해마가 된다. 태반을 형성하는 포유류는 뇌량이 발달하여 두 반구를 연결한다. 대뇌 표면에 형성되는 복잡한 이랑은 고등 포유류에서만 존재한다. 코끼리같이 큰 포유류의 대뇌는 예외적으로 크지만, 사람을 제외하고는 체중의 2% 가량을 대뇌가 차지하는 종으로는 돌고래가 유일하다.