Lillhjärnan är en av de mindre delarna av hjärnan men har en roll att spela i många olika mentala och fysiska processer. Denna del av hjärnan är främst ansvarig för att hantera, men inte direkt initiera, vissa typer av rörelser. Förmågan att balansera och underlätta för att bibehålla hållningen är båda en av de viktigaste funktionerna i lillhjärnan. Delar av det är också ansvariga för eller tangentiellt involverade i en mängd andra neurala processer. Dessa inkluderar inlärning och relaterade kognitiva funktioner samt fokus och respons på vissa miljöstimuli.
Strukturellt liknar lillhjärnan en sekundär hjärna monterad vid basen av hjärnan. Ett allmänt accepterat sätt att tänka om lillhjärnan föreställer sig det som en sorts parallell bearbetningsanordning som hanterar vissa nyckeluppgifter, men på ett relativt linjärt och underordnat sätt. Denna del av hjärnan består av många segment av nerver som alla delar en grundläggande konfiguration. Varje segment accepterar ett brett utbud av input, processer som matar in på ett grundligt och komplicerat sätt, och skickar sedan vidare en relativt enkel utdata. Denna typ av beräkning och bearbetning underlättar den semi-autonoma hanteringen av många rutinmässiga men avgörande uppgifter.
En av cerebellums funktioner som faller inom denna kategori har att göra med balans. Människokroppen måste hela tiden göra många små justeringar för att förbli upprätt. Dessa hanteras till stor del av en del av lillhjärnan, som bearbetar balansen utan att behöva tänka aktivt.
Att flytta en människokropp effektivt och säkert är också en mycket komplicerad uppgift. En annan av cerebellums funktioner är att hjälpa till i rörelseprocessen. Lillhjärnan börjar inte rörelser utan fungerar som ett slags assistent för att få rörelse att ske smidigare när den initieras av andra delar av hjärnan.
Rörelseprocessen innebär konstant uppmärksamhet på kroppens aktuella position och dess rörelseriktning. En frisk lillhjärna möjliggör mjuka och raka muskelrörelser. En skadad producerar obekväma och ryckiga rörelser när den högre hjärnan försöker styra rörelse, en uppgift som den är illa lämpad för.
Andra funktioner i lillhjärnan tenderar att utnyttja dess förmåga att sortera och bearbeta vissa typer av information och sedan skicka utdata till områden i hjärnan eller nervsystemet där informationen är användbar. Lillhjärnan är involverad i flera typer av inlärning och verkar vara särskilt viktig vid inlärning som kräver små justeringar av rörelsemönster. Ytterligare funktioner i lillhjärnan är överföring av data till områden som matsmältningssystemet eller ögonen som svar på miljöstimuli eller andra neurala svar.