Al igual que los demás vertebrados, las aves tienen un sistema nervioso que es el centro de control del organismo. Está integrado por el encéfalo, la médula espinal y los nervios. El cerebro de un ave puede ser hasta diez veces más pesado que el de un reptil del mismo peso; pero un poco menos que el de un mamífero de peso similar. El cráneo de las aves está en su mayoría ocupado por el cerebro y por los ojos.

Las aves tienen un sentido de la vista muy desarrollado. Son capaces de percibir los colores. Sus ojos grandes, que en ciertos casos pesan más que el cerebro, tienen movilidad limitada. Los búhos tienen los ojos fijos, pero esto se ve compensado porque su cabeza puede rotar en ángulos de hasta 270 grados. Las aves depredadoras tienen visión bifocal; la mayoría posee visión binocular parcial.

El oído de estos animales también está bien desarrollado, particularmente en el caso de las aves nocturnas. Su sentido del tacto está por lo general concentrado en zonas no cubiertas con plumas, como el pico y las patas. Aves como la espátula rosada, tienen un sentido del tacto muy desarrollado en el pico, el cual utilizan cuando buscan su alimento.

Las aves no tienen glándulas sudoríparas como los mamíferos. Ellas se refrescan buscando la sombra, dejando que el calor escape a través de las áreas desnudas de su organismo - exponen esas partes a la acción del aire fresco- o respirando rápidamente a través de la boca para disipar el calor del interior de su organismo. Si tienen frío, tiritan o esponjan su plumaje para atrapar el aire, a manera de aislante.

Tienen un sentido del gusto agudo, aunque poseen menos papilas gustativas que los mamíferos. En ciertos casos, no son sensibles al dulce, al amargo o al ácido. Los lóbulos olfatorios del cerebro de las aves son de tamaño reducido; por tanto, en general el olfato es el sentido más pobremente desarrollado. Algunas excepciones a esto son ciertos zopilotes, los cuales encuentran la carroña por medio del olfato.