Entre los dos hemisferios, y en el interior de la corteza, está ubicado el sistema límbico. Su morfología y funciones no son exclusivas de la especie humana, razón por la que se le ha denominado también ?cerebro animal?. También se le conoce como "cerebro emocional".

Se trata de un complejo sistema de estructuras que se hallan por encima y alrededor del tálamo, justo bajo la corteza que facilitan la comunicación entre el hipotálamo, la corteza cerebral y demás partes del encéfalo.

Su función está relacionada con las respuestas emocionales, el aprendizaje,  la memoria, sensación de placer, el instinto y el control visceral. Parece desempeñar un papel central en momentos de estrés, coordinando e integrando la actividad del seistema nervioso.

• El hipotálamo es un diminuto órgano encargado de mantener el equilibrio biológico interno de nuestro cuerpo (homeostasis). Contribuye de manera importante a regular los impulsos biológicos primarios relacionados con la supervivencia: hambre, sed, respuesta al dolor, niveles de placer, satisfacción sexual, ira y comportamiento agresivo. También regula el funcionamiento del sistema nervioso autónomo, lo que significa que regula el pulso, la presión sanguínea, la respiración y la activación fisiológica en respuesta a circunstancias emocionales.

• El hipocampo. La principal función del hipocampo es la de la consolidación de la memoria y el aprendizaje. Regula el paso de la memoria a corto plazo (las cosas que ahora están en tu mente) a la memoria a largo plazo (las cosas que recordarás por un largo tiempo), es decir, juega un papel esencial en la formación de nuevos recuerdos. Las personas con daño severo en esta área son capaces de recordar nombres, rostros y acontecimientos que grabaron en la memoria antes de que el área fuera lesionada, pero no pueden recordar nada nuevo.

• La amígdala es una masa con forma de dos almendras que se sitúan a ambos lados del tálamo, en el extremo inferior del hipocampo. Se relaciona con la autopreservación: si se estimula eléctricamente, los animales responden con agresión; si se extirpa, los animales se vuelven dóciles y no responden a estímulos que antes les causaban rabia o miedo e incluso respuestas sexuales.