O cale neuronală conectează regiuni din creier între ele sau transmite informații de la sistemul nervos periferic către creier. Două clase majore de căi neuronale transmit senzația către creier sau transmit semnale de mișcare către corp din acesta. Ambele constau din fibre nervoase lungi, izolate, care comunică electric sau printr-un neurotransmițător chimic. Căile reflexe spinale sunt căi locale care oferă răspunsuri rapide la stimuli brusci, fără feedback din partea creierului.
Axonii nervoși lungi care cuprind o cale neuronală sunt numiți substanță albă datorită substanței lor izolatoare, mielina. Această izolație îmbunătățește viteza de conducere electrică pe distanța pe care axonii le parcurg în organism. În creier, pot apărea conexiuni locale între corpurile celulare neuronale nemielinice, numite materie cenușie. Unele căi neuronale sunt de fapt fibre distincte care îndeplinesc diferite funcții, ca și corpul calos, care conectează multe regiuni ale emisferelor drepte și stângi ale creierului.
Unele căi reflexe funcționează fără creier. În reflexul genunchiului, un neuron senzorial care vine de la genunchi face sinapse cu un neuron motor din măduva spinării, ceea ce face ca un mușchi să se contracte într-un picior și același mușchi să se relaxeze în piciorul opus. Procesul are loc mai rapid decât ar fi mediat de creier. Căile neuronale mai complexe nu sunt cu adevărat reflexive, ci în schimb primesc feedback din regiunile superioare ale creierului, cum ar fi cortexul cerebral. Acest lucru încetinește viteza cu care semnalele circulă prin ele.
O cale neuronală senzorială transmite senzația de la corp la creier, în timp ce căile motorii transportă instrucțiuni de la creier la mușchii care controlează mișcarea voluntară. O cale neuronală motorie este tractul corticospinal sau piramidal. Pornind de la regiunea motorie a cortexului la măduva spinării, tractul piramidal se traversează apoi în două căi separate care controlează fiecare mișcarea pe o jumătate a corpului. Tractul corticobulbar moderează mișcarea voluntară a mușchilor faciali și merge de la cortex la nucleii trunchiului cerebral care controlează nervii cranieni ai feței. Calea fasciculului arcuit conectează neuronii care procesează recunoașterea vorbirii cu cei necesari pentru a imita sunetele vocal.
În creier, unele căi funcționează printr-un mesager chimic specific, numit neurotransmițător. De exemplu, dopamina este folosită în multe căi pentru a afecta motivația, recompensa și controlul motorului fin, printre multe alte funcții. Dopamina este neurotransmițătorul căii neurale mezocorticale care modulează comportamentul de recompensă de la mijlocul creierului la lobii frontali ai cortexului cerebral. Deoarece calea nigrostriatală pe bază de dopamină ajută la mișcările fine, este frecvent bolnavă în tulburările de mișcare, cum ar fi boala Parkinson.