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 в бік світла).

При цьому, на відміну від хребетних тварин, які також володіють замкнутою кровоносною системою, 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 примноженню генів, що контролюють розвиток нейронів і формування міжнейронних контактів. Головоногі молюски взагалі та восьминоги зокрема відомі своїм високим рівнем розвитку, що стає помітнішим, якщо порівнювати їх з їхніми найближчими родичами: равликами, беззубками тощо.

У восьминогів розгалужена нервова система, що налічує понад 500 мільйонів нейронів, за кількістю приблизно така ж, як у собак. Але на відміну від собак та інших хребетних, у яких більшість нейронів міститься в головному мозку, понад дві третини нейронів восьминогів розташовані в їхніх щупальцях і тілі.