Головний мозок риб поділяється на три великі частини: передній, середній та задній мозок. Передній мозок складається з теленцефалону (кінцевого мозку) та діенцефалону (проміжного мозку). На ростральному (передньому) кінці теленцефалону розташовані нюхові цибулини, котрі отримують сигнали від нюхових рецепторів. У нюхових долях знаходяться нейрони (складові нюхового нерва, або І пари черепно-мозкових нервів), що під'єднуються до нюхових регіонів теленцефалону, які також називаються нюховими долями. Нюхові луковиці звичайно збільшені у риб, що активно використовують нюх, наприклад, у акул.
Діенцефалон, до складу котрого входять епіталамус, таламус та гіпоталамус, виконує, в основному, регуляторні функції в керуванні станом внутрішнього середовища організму. Шишкоподібний орган, котрий містить нейрони та фоторецептори, розташований на дистальному кінці шишкоподібного тіла і є частиною епіталамусу. У багатьох видів шишкоподібний орган є чутливим до світла, що проникає через кістки черепу, і може виконувати багато специфічних функцій, в тому числі регуляцію добових ритмів активності. Зоровий нерв (ІІ пара черепно-мозкових нервів), котрий йде до мозку від сітківки ока, входить в проміжний мозок і надсилає волокна в таламус, гіпоталамус та середній мозок.
Середній мозок складається із зорових долей та тегментума, або покришки (tegmentum); обидві структури залучені до обробки оптичних сигналів. Зоровий нерв має численні волокна, що входять до зорових долей; аналогічно нюховим долям, великі зорові дол ігаються в мозку риб, котрі сильно покладаються на зір. Основною функцією тегментума є контроль внутрішніх м'язів ока, які забезпечують фокусування на предметі. Також тегментум виконує частину функцій моторного контролю: наприклад, локомоторний регіон середнього мозку, що генерує ритмічні плавальні рухи, локалізований саме тут.
Задній мозок складається з мозочка, моста, та довгастого мозку. Мозочок, на відміну від розташованих ростральніше частин мозку, є непарним органом. Функцією мозочка є підтримка рівноваги та контроль положення організму в середовищі. Міст та довгастий мозок формують стовбур головного мозку. Велика кількість черепно-мозкових нервів несе сенсорну інформацію до довгастого мозку, та відводять генеровані в ньому сигнали до мускулатури. Взагалі, більшість черепно-мозкових нервів входять в череп через задній мозок. ІІІ, IV, та VI пари черепно мозкових нервів (окоруховий, блоковий та відводячий відповідно) контролюють шість зовнішніх м'язів ока, які здійснюють рухи цього органу. V пара черепно-мозкових нервів (тройничний) отримує сенсорну інформацію та передає моторні сигнали до нижньої щелепи, а VII пара (лицевий) несе сенсорну інформацію від структур гіоїдної дуги. VIII пара черепно-мозкових нервів (слуховий) містить сенсорні волокна, що залучені до слуху та підтримки рівноваги. ІХ пара черепно-мозкових нервів (язикоглотковий нерв) інервує глоткову дугу, проводячи як сенсорні, так і моторні сигнали. Х пара черепно-мозкових нервів (блукаючий нерв) інервує більш каудально (ближче до заднього кінця тіла) розташовані зяброві дуги та внутрішні органи.
