Серое вещество головного мозга представляет собой совокупность тел афферентных (чувствительных), вставочных (сочетательных) и эфферентных (эффекторных) нейронов. Тела афферентных нейронов залегают в узлах черепных нервов. Дендриты их заканчиваются на периферии рецепторами. Аксоны афферентных нейронов направляются в стволовую часть головного мозга, где вступают в контакт с рядом вставочных нейронов, которые либо соединяют их с эффекторными в пределах сегментального отдела нервной системы, либо передают импульсы в вышележащие отделы центральной нервной системы.
Тела эффекторных нейронов в головном мозге располагаются в мозговом стволе. Аксоны эффекторных нейронов направляются в составе черепных нервов. Эффекторные нейроны, тела которых залегают в передних столбах серого вещества в мозговом стволе, носят название двигательных, так как их аксоны достигают скелетных мышц. Остальные эффекторные нейроны, на которых могут заканчиваться аксоны афферентных нейронов, относят к автономной (вегетативной) нервной системе (симпатическая и парасимпатическая части).
Особенностью этих нейронов является то, что их аксоны, выйдя из головного мозга, образуют предузловые (преганглионарные) волокна, которые не доходят непосредственно до иннервируемого органа, а оканчиваются на нервных клетках периферических узлов автономной (вегетативной) нервной системы. Аксоны клеток этих узлов образуют послеузловые (постганглионарные) волокна, которые уже непосредственно достигают иннервируемого органа (железы, сосуды и т.д.).
Серое вещество образует кору конечного мозга и подкорковые (базальные) ядра.