뉴런을 생성한 최초의 동물은 자포동물이지만, 자포동물은 뇌가 아닌 균일하게 퍼져 있는 산만 신경계를 가지고 있다. 원시적인 조절중추로서의 뇌는 편형동물에서 최초로 진화한 것으로 보인다. 운동성을 갖게 되며 두화가 일어나기 시작한 편형동물은 신경세포체를 2개의 신경삭의 형태로 나누어 신경세포체가 머리부분에 밀집되는 방향으로 진화하였다.
이후 환형동물에 이르러 신경삭으로부터 신경절이 체절마다 한 쌍씩 형성되어 각 체절을 담당하게 됨으로써 중추신경계가 더욱 발달하게 되었다. 특히 환형동물의 체절 신경계는 가로섬유와 세로섬유가 마치 사다리와같이 연결되어있어 사다리 신경계라고 불리는데 그 중 가장 앞에 존재하는 신경절이 가장 잘 발달되어 있어 뇌를 이룬다.
절지동물에서는 흉부에 체절군이 집중하여 흉부 신경절을 형성하여 제 2의 뇌 역할을 한다. 곤충과 같은 고등절지동물은 특정 기관과 기능이 연관됨에 따라 좀 더 복잡한 행동을 가능하게 되어 사회성을 형성한다.
문어의 경우 무척추동물 중에서 가장 정교한 두뇌를 보인다. 척삭동물에 이르러서는 신경섬유가 뇌 뿐만이 아니라 등쪽에 모여 하나의 척수라는 관상구조를 이루는데 척삭동물에서 뇌와 척수를 구분하기는 힘들다.
척추동물의 두뇌 진화는 대뇌를 포함한 전뇌의 부피증가가 특징적이다. 원시어류의 경우 척추 앞부분에 약간 부풀어오르는 돌기모양의 뇌를 갖는다. 그보다 조금 더 발달한 어류는 원시어류에 비해 약간 큰 1~2g 정도의 돌기를 갖게 되었다. 이 돌기가 고등 동물의 후뇌, 뇌간, 중뇌에 해당된다.
현대 어류에 이르러서는 뇌 면적의 대부분을 차지하는 큰 중뇌와 작은 전뇌를 가지게 되었다. 현대 양서류와 파충류는 어류와는 달리 발달된 전뇌와 작은 중뇌를 갖는다. 조류와 설치류의 경우 전뇌가 더 커졌지만 표면이 부드럽다. 반면에 인간의 대뇌는 깊은 홈과 접힌 주름이 있다. 또한 후뇌에서 동작의 조정이나 균형감각을 담당하는 소뇌의 발달도 두드러졌다. 석기 기술의 중요한 변화는 바로 뇌의 크기가 증대할 때마다 일어난 것으로 추측된다. 하지만 최초의 증대만큼 큰 폭의 증대는 없었다.[3] 크기나 조직과 같은 뇌 구조의 중대한 변화가 약 250만 년 전에 일어났다는 것은 확실하다.