Jalur saraf menghubungkan daerah di dalam otak satu sama lain atau menyampaikan informasi dari sistem saraf tepi ke otak. Dua kelas utama jalur saraf menyampaikan sensasi ke otak atau membawa sinyal untuk gerakan ke tubuh darinya. Keduanya terdiri dari serabut saraf yang panjang dan terisolasi yang berkomunikasi secara elektrik atau oleh neurotransmitter kimia. Jalur refleks tulang belakang adalah jalur lokal yang memberikan respons cepat terhadap rangsangan tiba-tiba tanpa umpan balik dari otak.
Akson saraf panjang yang membentuk jalur saraf disebut materi putih karena zat isolasinya, mielin. Insulasi ini meningkatkan kecepatan konduksi listrik pada jarak yang tercakup akson di dalam tubuh. Di otak, koneksi lokal dapat terjadi antara badan sel saraf yang tidak bermielin, yang disebut materi abu-abu. Beberapa jalur saraf sebenarnya adalah serat yang berbeda yang melayani fungsi yang berbeda, seperti corpus callosum, yang menghubungkan banyak daerah belahan otak kanan dan kiri.
Beberapa jalur refleks beroperasi tanpa otak. Dalam refleks spontan, neuron sensorik yang berasal dari lutut bersinaps dengan neuron motorik di sumsum tulang belakang, yang menyebabkan otot berkontraksi di satu kaki dan otot yang sama berelaksasi di kaki yang berlawanan. Prosesnya terjadi lebih cepat daripada jika dimediasi oleh otak. Jalur saraf yang lebih kompleks tidak benar-benar refleksif, melainkan menerima umpan balik dari daerah otak yang lebih tinggi, seperti korteks serebral. Ini memperlambat laju sinyal yang melewatinya.
Jalur saraf sensorik menyampaikan sensasi dari tubuh ke otak, sedangkan jalur motorik membawa instruksi dari otak ke otot yang mengontrol gerakan sukarela. Salah satu jalur saraf motorik adalah traktus kortikospinalis atau piramidal. Berjalan dari daerah motorik korteks ke sumsum tulang belakang, saluran piramidal kemudian melintasi menjadi dua jalur terpisah yang masing-masing mengontrol gerakan pada setengah tubuh. Traktus kortikobulbar mengatur gerakan volunter otot wajah, dan berjalan dari korteks ke inti batang otak yang mengontrol saraf kranial wajah. Jalur fasikulus arkuata menghubungkan neuron yang memproses pengenalan suara dengan yang diperlukan untuk meniru suara secara vokal.
Di dalam otak, beberapa jalur bekerja melalui pembawa pesan kimia tertentu, yang disebut neurotransmitter. Misalnya, dopamin digunakan di banyak jalur untuk memengaruhi motivasi, penghargaan, dan kontrol motorik halus, di antara banyak fungsi lainnya. Dopamin adalah neurotransmitter dari jalur saraf mesokortikal yang memodulasi perilaku penghargaan dari otak tengah ke lobus frontal korteks serebral. Karena jalur nigrostriatal berbasis dopamin membantu gerakan halus, jalur ini sering berpenyakit pada gangguan gerakan seperti penyakit Parkinson.