Znajdujący się tuż pod mózgiem układ limbiczny to szereg struktur w mózgu, które wykonują kilka zadań związanych z pamięcią i emocjami. Związek między układem limbicznym a emocjami jest tak dobrze uformowany, że niektórzy badacze nazywają ten układ „mózgiem emocjonalnym”. Z ewolucyjnego punktu widzenia system ten jest dość stary i występuje nawet w mózgach niższych ssaków, dlatego znany jest również jako mózg paleossaczy.
W tym układzie występuje kilka struktur, w tym ciało migdałowate, hipokamp, podwzgórze, sklepienie i przegroda. Pobliski płat limbiczny jest również istotnym elementem łączącym układ limbiczny i emocje. Niektóre z pozostałych wspomnianych tutaj struktur również odgrywają rolę w regulacji emocjonalnej.
Żadna pojedyncza struktura nie jest całkowitym czynnikiem sprawczym jeden do jednego między układem limbicznym a emocjami. Struktury te pomagają regulować pewne stany emocjonalne, ale nie wywołują całkowicie emocji. Konkretne struktury pomagają jednak regulować pewne zestawy zachowań emocjonalnych.
Ciało migdałowate jest strukturą niezbędną do tworzenia wspomnień emocjonalnych. Aktywacja ciała migdałowatego z zagrażającego bodźca powoduje, że struktura ta współpracuje z hipokampem w celu zapamiętania go. Kiedy ten sam bodziec zostanie ponownie napotkany, struktura ta wywołuje reakcję strachu. Wydaje się również, że bierze udział w gniewie, uczuciach i reakcjach seksualnych. Zwierzęta bez ciała migdałowatego nie wykazują instynktów macierzyńskich ani oznak wściekłości, ani nie reagują na groźne lub podniecające bodźce seksualne.
Niektóre obszary wzgórza i podwzgórza pomagają wyrażać emocje, ale ich nie generują. Jądra przednie wzgórza wydają się wpływać na to, jak ludzie reagują na bodźce emocjonalne. Po bokach lub w bocznych obszarach podwzgórza znajdują się jądra zaangażowane w wyrażanie przyjemności i gniewu. Niezadowolenie i niechęć do bodźców są mediowane przez centrum, czyli obszar przyśrodkowy.
Kora pomaga również połączyć układ limbiczny i emocje. Jeden ze składników kory limbicznej, zakręt obręczy, pomaga kontrolować ciśnienie krwi i tętno. Powoduje również emocjonalną reakcję na ból. Dodatkowo może odgrywać rolę w wyrażaniu wściekłości. Dzikie zwierzęta, którym usunięto ten obszar mózgu, nie wykazują agresji.
Tak zwane „ośrodki przyjemności” w brzusznym obszarze nakrywkowym pokazują inny związek między układem limbicznym a emocjami. Aktywność w tych komórkach powoduje, że uwalniają one chemiczną dopaminę. Dopamina może wywoływać przyjemne uczucia, od łagodnego nagradzania do silnych uczuć przypominających satysfakcję seksualną.