V notranjosti možganov se nahaja niz struktur, ki jih skupaj imenujemo limbični sistem. Glavni organi, ki igrajo glavno vlogo pri čustvih in motivaciji, vključujejo hipotalamus, amigdalo in hipokampus. Deli so razporejeni v zanko, med seboj povezano mrežo, ki se nahaja okoli vrha možganskega debla. Komunicira s prefrontalno skorjo in se imenuje tudi »čustveni možgani«.
Struktura limbičnega sistema se razvije v obdobju embrionalne rasti iz zgodnje oblike prednjega možgana, imenovane telencefalon. Zorenje nevralne cevi vzpostavi centralni živčni sistem, sestavljen iz možganov in hrbtenjače. Telencefalon postane možganski možgani, kjer se nahajajo strukture limbičnega sistema.
Hipotalamus zagotavlja homeostatsko ravnovesje, potrebno za vzdrževanje in uravnavanje telesne temperature, krvnega tlaka in presnove. Medtem ko amigdala določa pomembnost strahu, ta struktura limbičnega sistema ustvarja fiziološke odzive, kot so hitro bitje srca, potenje in povečano dihanje. Je zaščitna reakcija na zaznano grožnjo, ki omogoča vedenje, ki rešuje življenja.
Amigdala je povezana z anksioznimi stanji, kot so panična motnja in fobije, še posebej vpletena v nastanek strahu. V njej so shranjeni spomini na reakcije na zastrašujoče dogodke, ki lahko povzročijo duševno motnjo. Ta majhen par organov v obliki mandlja, ki se nahaja na dnu repne zanke, je odgovoren za odziv “boj ali beg”.
Pomemben v učnem procesu je hipokampus, ki je sposoben konsolidacije – pripenjanja fizične slike v spomin, kar omogoča njeno pridobivanje. Dokler se to ne zgodi, je shranjevanje informacij kratko. Hipokampalna struktura limbičnega sistema je primarno vključena v dejansko učenje veščine ali naloge; ni kraj trajnega skladiščenja. Za to so odgovorna druga področja možganov, na primer skorja.
Psihiatrična stanja so povezana s poškodbami strukture limbičnega sistema. Pri bolnikih s shizofrenijo je na primer več področij, vključno s hipokampusom in amigdalo, bistveno manjših od običajnih. Shizofrenija je duševna motnja, ki povzroča težave z razmišljanjem, zaznavanjem in kognitivnimi sposobnostmi.
Povečanje prekatov kaže na pomanjkanje možganskega tkiva, ki je povezano tudi z demenco, na primer pri Alzheimerjevi bolezni. Pri Alzheimerjevi bolezni se degeneracija možganskega tkiva začne v hipokampusu, kar vpliva na spomin in kognicijo. Raziskovalci menijo, da se ljudje s shizofrenijo lahko rodijo z anomalijami ali da so se pojavile nekje v zgodnjem otroštvu. Tisti z Alzheimerjevo boleznijo so sčasoma postopoma razvili nenormalne možganske spremembe, običajno veliko pozneje v življenju.