La substance grise et les ganglions renferment les corps des cellules nerveuses, tandis que la substance blanche et les nerfs sont formés uniquement de fibres.
Les fibres (dendrites et axones) observées dans la substance blanche et dans les nerfs sont les prolongements des corps cellulaires (multipolaires ou bipolaires) observés dans la substance grise et dans les ganglions spinaux.
L'ensemble formé par un corps cellulaire et les fibres qui s'y rattachent constitue la cellule nerveuse, ou neurone.

Les cellules nerveuses sont de forme irrégulière et sont dites multipolaires. Les sommets de ces cellules multipolaires portent des prolongements qui sont le plus souvent rugueux et ramifiés comme les branches d'un arbre : ce sont les dendrites (du grec dendron, arbre). L'un d'eux, cependant, est lisse et semble dépourvu de ramifications : c'est l'axone.
Le contenu cellulaire présente un aspect qui varie. Parfois, le cytoplasme a un aspect marbré dû à des amas, ou corps de Nissl, faits de réticulum très dense. Parfois, il semble formé de filaments enchevêtrés, ou neurofibrilles. Parfois enfin, il montre des dictyosomes nombreux et serrés donnant l'impression d'un réseau continu (réseau de Golgi).
Un nerf contient des fibres - axones ou dendrites - entourées d'une gaine isolante présentant de loin en loin des étranglements. La partie externe de la gaine est formée de cellules en manchon, unies bout à bout : c'est la gaine de Schwann. La gaine de Schwann, fine et continue, est séparée de la fibre par une gaine de myéline épaisse et interrompue au niveau des étranglements.



La forme des cellules est différente suivant la localisation : cellules étoilées de la moelle, cellules pyramidales du cortex cérébral, cellules piriformes (cellules de Purkinje) du cortex cérébelleux, cellules arrondies des ganglions spinaux. Celles-ci possèdent une seule dendrite (ce sont des cellules bipolaires) qui effectue avec l'axone un trajet commun évoquant la lettre T.



La coupe transversale d'un nerf montre que les fibres sont réunies en faisceaux entourés de gaines conjonctives. Le diamètre des fibres est variable, les plus grosses étant les plus longues.



La structure de la substance blanche est très comparable à celle des nerfs, mais chaque fibre est entourée d'une gaine de myéline sans gaine de Schwann.
C'est la destruction de la myéline qui est en cause dans la sclérose en plaques.

L'influx nerveux parcourt le neurone dans le sens dendrites corps cellulaire axone.
Le passage de l'influx d'un neurone sur un autre se fait grâce à une articulation, ou synapse, qui relie l'axone du premier aux dendrites ou au corps cellulaire du second.
L'influx chemine très rapidement le long des fibres (jusqu'à 100 m par seconde), mais le franchissement des synapses le retarde. Le temps mis par un message nerveux pour aller d'un point à un autre dépend plus du nombre de synapses à franchir que de la distance à parcourir.
Certaines voies très rapides font appel à un nombre restreint de neurones. Ainsi, la commande d'un muscle du pied par le centre moteur du cerveau ne fait que deux neurones : l'un d'eux est une cellule pyramidale du cortex cérébral, l'autre, une cellule multipolaire de la corne antérieure de la moelle.
A l'inverse des voies particulièrement lentes s'observent dans la formation réticulée où de nombreux neurones très courts sont unis par des synapses multiples (structure polysynaptique).

Les messages nerveux venus des centres parcourent les nerfs moteurs et déclenchent la contraction des muscles. Les messages venus des organes sensoriels parcourent les nerfs sensitifs et aboutissent aux centres.
Au niveau des centres inférieurs (moelle épinière, tronc cérébral), ils sont à l'origine de réactions immédiates appelées réflexes. Au niveau du cortex cérébral, ils sont à l'origine des sensations conscientes.

Les neurones, comme les fibres musculaires striées, sont des cellules hautement spécialisées qui ont perdu le pouvoir de se diviser. Pour le système nerveux, l'Homme dispose à sa naissance d'un nombre défini de cellules (plusieurs milliards) qu'il conservera en principe pendant toute sa vie.
Si, à la suite d'une maladie ou d'un accident, des cellules nerveuses ou musculaires sont détruites, la perte ainsi causée est irrémédiable. De même avec certains toxiques (drogue, alcool, etc..)
Si une fibre nerveuse est coupée, la partie de la fibre isolée du corps cellulaire dégénère. Mais, s'il s'agit d'un nerf, l'extrémité unie au corps cellulaire s'allonge, s'engage dans la gaine de Schwann vide et rétablit la liaison nerveuse. C'est pourquoi la paralysie provoquée par la section d'un nerf moteur peut être guérie si les deux extrémités sont maintenues ou remises bout à bout.