Limbični sistem, ki se nahaja tik pod velikimi možgani, je niz struktur v možganih, ki opravljajo več nalog, povezanih s spominom in čustvi. Povezava med limbičnim sistemom in čustvi je tako dobro oblikovana, da nekateri raziskovalci sistem imenujejo »čustveni možgani«. Z evolucijskega stališča je ta sistem precej star in je prisoten celo v možganih nižjih sesalcev, zato je znan tudi kot možgani paleomesalcev.
V tem sistemu je prisotnih več struktur, vključno z amigdalo, hipokampusom, hipotalamusom, forniksom in septumom. Bližnji limbični reženj je tudi bistvena komponenta, ki povezuje limbični sistem in čustva. Nekatere druge strukture, omenjene tukaj, igrajo tudi vlogo pri čustveni regulaciji.
Nobena posamezna struktura ni popoln vzročni dejavnik med limbičnim sistemom in čustvi. Te strukture pomagajo uravnavati določena čustvena stanja, vendar čustva ne povzročajo popolnoma. Vendar pa posebne strukture pomagajo uravnavati določene sklope čustvenega vedenja.
Amigdala je ena struktura, ki je bistvena za pomoč pri oblikovanju čustvenih spominov. Aktivacija amigdale zaradi grozečega dražljaja povzroči, da ta struktura deluje s hipokampusom, da bi si jo zapomnila. Ko ponovno naletimo na isti dražljaj, ta struktura povzroči odziv strahu. Zdi se, da je vpleten tudi v jezo, naklonjenost in spolne odzive. Živali brez amigdale ne bodo pokazale materinskih nagonov ali znakov besa ali reagirale na grozeče ali spolno vznemirljive dražljaje.
Določena področja talamusa in hipotalamusa pomagajo izražati čustva, vendar jih ne ustvarjajo. Zdi se, da sprednja jedra talamusa vplivajo na to, kako se posamezniki odzivajo na čustvene dražljaje. Na straneh ali stranskih predelih hipotalamusa so jedra, ki sodelujejo pri izražanju užitka in jeze. Nezadovoljstvo in odpor do dražljajev posreduje center ali medialno območje.
Skorja pomaga tudi pri združevanju limbičnega sistema in čustev. Ena komponenta limbične skorje, cingularni girus, pomaga nadzorovati krvni tlak in srčni utrip. Povzroča tudi čustveno reakcijo na bolečino. Poleg tega lahko igra vlogo pri izražanju besa. Divje živali, ki jim odvzamejo to področje možganov, ne kažejo agresije.
Tako imenovani “centri užitka” v ventralnem tegmentalnem predelu kažejo še eno povezavo med limbičnim sistemom in čustvi. Dejavnost v teh celicah povzroči, da sproščajo kemični dopamin. Dopamin lahko povzroči prijetne občutke, ki segajo od blagega občutka nagrajevanja do močnih občutkov, podobnih spolnemu zadovoljstvu.