Мозок восьминога високорозвинений (один із найрозвиненіших серед безхребетних), має зародкову кору. Охоплює кільцем стравохід. Очі великі, з кришталиком, схожим на людський (проте сітківка, на відміну від людської, неінвертована: фоторецептори спрямовані у бік світла).
При цьому, на відміну від хребетних тварин, які також мають замкнуту кровоносну систему, головоногі мають не одне, а цілих три серця. Парні зяброві (або бронхіальні) серця проштовхують кров через зябра, беручи участь у малому колі кровообігу.
Восьминоги порозумнішали завдяки еволюційному множенню генів, що контролюють розвиток нейронів та формування міжнейронних контактів. Головоногі молюски взагалі і восьминоги зокрема відомі своїм високим рівнем розвитку, який робиться помітнішим при порівнянні їх зі своїми найближчими родичами: равликами, беззубками тощо.
Вони уточнили, що у восьминогів все ж таки є центральний мозок. Але, крім нього, у них є скупчення нервових клітин, які розосереджені по всьому організму. «Щупальця восьминогів керуються нервовим кільцем. Воно працює в обхід мозку.