Mặc dù mối quan hệ giữa các tế bào thần kinh—các tế bào tạo nên hệ thần kinh—rất phức tạp, nhưng tất cả các tế bào này đều có chung một cấu trúc cơ bản: chúng bao gồm một thân tế bào chứa nhân và xử lý—một sợi trục và một hoặc nhiều sợi nhánh. Các tế bào thần kinh rất khác nhau về hình dạng của thân tế bào cũng như về chiều dài, số lượng và mức độ phân nhánh của sợi trục và đuôi gai.
Tế bào thần kinh được chia thành nhạy cảm (giác quan), vận động và xen kẽ. Trong tế bào thần kinh cảm giác, sợi nhánh được kết nối với các thụ thể và sợi trục được kết nối với các tế bào thần kinh khác; trong các nơ-ron vận động, các sợi nhánh được kết nối với các nơ-ron khác và các sợi trục được kết nối với một số cơ quan tác động; Trong tế bào thần kinh nội tạng, cả sợi nhánh và sợi trục đều kết nối với các tế bào thần kinh khác.
Con đường đơn giản nhất mà xung thần kinh có thể di chuyển bao gồm ba tế bào thần kinh: một cảm giác, một tế bào kẽ và một vận động. Các thân dây thần kinh, hay dây thần kinh, bao gồm một số lượng lớn các sợi trục và sợi nhánh hợp nhất trong một vỏ mô liên kết chung.
Các thân tế bào của tế bào thần kinh và các quá trình của chúng không phân tán ngẫu nhiên mà tạo thành các cụm gọi là hạch nếu chúng nằm bên ngoài não và tủy sống, và các trung tâm thần kinh nếu chúng nằm trong não hoặc tủy sống.
Sợi trục hoặc sợi nhánh được bao phủ, ngoài màng tế bào, bởi một hoặc hai vỏ nữa: tế bào thần kinh bên ngoài và vỏ myelin bên trong. Neurilemma bao gồm các tế bào. Vỏ myelin được làm từ chất liệu không phải tế bào, giống chất béo, khiến cho các dây thần kinh mà nó bao phủ có màu trắng.
Vỏ myelin dường như làm tăng tốc độ của các xung thần kinh. Ở người, xung thần kinh truyền dọc theo sợi myelin với tốc độ khoảng 100 m/giây và dọc theo các dây thần kinh có vỏ myelin mỏng với tốc độ 7-15 m/giây.
Neurilemma dường như đóng một số vai trò trong việc tái tạo các sợi thần kinh bị đứt. Trong trường hợp đứt sợi, nếu các đầu của thân dây thần kinh được nối lại thì các sợi thần kinh có thể phát triển thành các ống thần kinh của sợi bị thoái hóa và phục hồi các chức năng đã mất.