Το χταπόδι διαθέτει εννέα εγκεφάλους: έναν κεντρικό και οκτώ μικρότερους, έναν για κάθε πλοκάμι.

Το νευρικό σύστημα του χταποδιού αποτελεί ένα από τα πιο εντυπωσιακά παραδείγματα βιολογικής μηχανικής στη φύση. Συνολικά διαθέτει περίπου 500 εκατομμύρια νευρώνες, αριθμός παρόμοιος με αυτόν ενός σκύλου, αλλά η κατανομή τους είναι μοναδική. Μόνο το ένα τρίτο των νευρώνων βρίσκεται στον κεντρικό εγκέφαλο που περιβάλλει τον οισοφάγο, ενώ οι υπόλοιποι σχηματίζουν γάγγλια στη βάση κάθε πλοκαμιού.Έρευνες από το Εργαστήριο Θαλάσσιας Βιολογίας (MBL) στο Woods Hole έχουν δείξει ότι τα πλοκάμια μπορούν να επεξεργάζονται αισθητηριακές πληροφορίες χωρίς να περιμένουν σήμα από το κεφάλι. Κάθε πλοκάμι διαθέτει εκατοντάδες βεντούζες, οι οποίες είναι εξοπλισμένες με χημειοϋποδοχείς που επιτρέπουν στο ζώο να «γεύεται» ό,τι αγγίζει. Αυτή η αυτονομία είναι τόσο ισχυρή που ένα αποκομμένο πλοκάμι μπορεί να συνεχίσει να αναζητά τροφή και να αντιδρά σε ερεθίσματα για αρκετή ώρα.Η εξελιγμένη αυτή αρχιτεκτονική επιτρέπει στο χταπόδι να επιλύει σύνθετα προβλήματα, όπως το άνοιγμα βάζων ή η χρήση εργαλείων, ενώ ταυτόχρονα αλλάζει το χρώμα του δέρματός του για καμουφλάζ. Μελέτες που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Current Biology επιβεβαιώνουν ότι ο κεντρικός εγκέφαλος λειτουργεί περισσότερο ως «στρατηγός» που θέτει τον στόχο, ενώ τα πλοκάμια δρουν ως «στρατιώτες» που αποφασίζουν πώς θα τον πετύχουν. Αυτή η παράλληλη επεξεργασία δεδομένων καθιστά τα κεφαλόποδα τα πιο ευφυή ασπόνδυλα στον πλανήτη.