Филогенез – это развитие системы в процессе длительной эволюции. Самый простейший вид нервной системы на начальном этапе филогенеза называется синцитием. Он представляет собой недифференцированные свободно расположенные нервные клетки. Далее в процессе развития формируются нервные узлы, которые объединяются в цепочки, а цепочки  разбиваются по сегментам. Сегмент функционирует как единая система.

Более сложная структура нервной системы наблюдается у позвоночных. Помимо сегментарной организации формируется оральный отдел, который  управляет нижележащими отделами тела. В процессе дальнейшего развития нервной системы у позвоночных появляются большие полушария головного мозга. Эволюционное развитие нервной системы – это путь от раздражимости живой ткани (способности реагировать на внешние воздействия) к формированию специализированного аппарата для анализа и синтеза той информации, которая поступает к организму из внешнего мира и из внутренней среды своего организма. Образование связей между нервными клетками и формирование примитивной нервной системы привели к качественно новому уровню интеграции организма.

В примитивной нервной системе возбуждение может распростра­няться в любом направлении. Хотя при такой структуре невозможна тонкая координация реакций, все же обеспечивается участие всего организма в той или иной реакции. Накопление возбуждения в такой нервной сети уже создает предпосылки «памяти», т. е. реагирование на данный раздражитель может зависеть от предшествующих раздражи­телей, от краткой «предыстории» организма.

Последующее усложнение структуры нервной системы обусловливает  боль­шую специализацию нервных клеток и формирование афферентных и эфферентных систем. Выделение рецепторного аппарата позволило дифференцированно воспринимать сигналы от определенных раздражителей. В дальнейшем специализация нервных клеток сопровождалась появлением синапсов, обеспечивающих одностороннее проведение нервных импульсов. Веро­ятно, на этом этапе возникают примитивные кольцевые структуры регуляции отдельных функций.

В процессе филогенеза сегментарный принцип иннервации привел к тому, что нервный узел (ганглий) может соответствовать определенному сегменту тела. В результате формирования ганглиозной нервной системы произошла дифференцировка функций разных отделов нервной системы.

В процессе дальнейшей эволюции головной мозг и кора больших полушарий стали выполнять основную интегративную функцию между всеми частями нервной системы и телом. Нервная система человека в настоящее время является наиболее совершенной и по сравнению с млекопитающими способна формировать высшие психические функции и обеспечивать контроль за всеми нервными и психическими процессами. Это связано с превосходством развития лобных долей головного мозга, которые обеспечивают процесс социализации и адаптации человека в пространстве.