Alguns dos mais básicos elementos do sistema nervoso podem ser encontrados em bactérias, organismo extremamente simples, que conta com maquinaria de apenas uma única célula sem núcleo definido. Isso porque esse simples organismo móvel consegue resolver seus problemas essenciais (encontrar alimento e evitar toxinas).

Apesar de não apresentar um sistema nervoso (que é definido pela existência de neurônios, células especializadas para perceber estímulos e apresentar respostas), as bactérias conseguem perceber o mundo através dos inúmeros receptores, estocando breves traços de memória e em seguida é capaz de integrar essas entradas e realizar movimentos adaptativos.

Um exemplo das capacidades em unicelulares procariontes é a escolha entre as respostas de “nadar” ou de “fazer mudança de curso aleatória” apresentadas pela bactéria E. coli frente a gradientes de maltose. Se em um primeiro instante a concentração maltose é x, e no instante seguinte essa concentração é maior, a bactéria responde com “nadar”. Se diferente disso, a concentração no segundo instante é menor, a resposta é “fazer mudança de curso”. A bactéria está detectando as diferentes concentrações de maltose (pela proporção de receptores ligados e desligado), integrando essas informações (memórias dos diferentes instantes, para fazer a comparação entre as concentrações, e assim percebendo mudanças) e de efetuação de respostas (de realizar movimentos flagelares em uma só direção ou em direções diferentes)

Diversos outros organismos unicelulares apresentam esses elementos do sistema nervoso, como por exemplo a Halobacterium salinarium que responde a estímulos de luz laranja, Chlamydomonas que responde a luz azul e verde (tem também respostas flagelares mais complexas, de mudar a direção de nado por ajustes nos movimentos de seus dois flagelos)

As unidades básicas do sistema nervoso, os neurônios, funcionam de maneira similar a esses organismos unicelulares. Isto é, ambos recebem entrada de diversos estímulos, realizam integração desses sinais e geram respostas. A diferença se dá essencialmente no tipo de resposta, os organismos unicelulares realizam movimentos flagelares enquanto o neurônio dispara potenciais de ação. O potencial de ação é originado no corpo celular a partir de estímulos recebidos nos dendritos. O potencial de ação se propaga pelo axônio em direção a região terminal, onde causa o lançamento de neurotransmissores na fenda sináptica. Os neurotransmissores ligam-se então aos receptores do dendrito do próximo neurônio.

Os organismos mais simples a possuir sistema nervoso são os cnidários, que apresentam neurônios como o representado na figura. Os primeiros cnidários apareceram no final da era proterozóica (cerca de 600 milhões de anos atrás), era um período em que a primeiros organismos multicelulares estavam surgindo.

A evolução do axônio e do potencial de ação permitiu que os neurônios se comunicassem com distâncias de vários centímetros, o que tornou possível a evolução de animais grandes e complexos. Esses animais apareceram pela primeira vez durante um evento que tem sido denominado explosão do Cambriano, devido a repentina abundância e diversidade de fósseis. Acredita-se que essa explosão ocorreu devido a intensas oscilações climáticas, o que gerou uma diversificação de nichos.

É proposto que muitos desses animais eram predadores e o surgimento de encéfalos foi parte de uma corrida armamentista evolucionária em que diferentes animais lutavam por vantagens seletivas. Além de desenvolver sistemas nervosos mais sofisticados, muitos desses animais adquiriram armaduras, e substituíram seus antepassados sem encéfalo e sem armaduras.

Os antepassados da maior parte dos filos de hoje existiram durante o Cambriano. Não existiam animais terrestres ainda, eram aquáticos os primeiros artrópodes, moluscos e anelídeos e cordados.

Os animais do Cambriano viviam na água, e uma limitação fundamental na evolução de sistemas sensórias de animais aquáticos é a relativa opacidade da água a sinais eletromagnéticos. Os olhos sentem uma pequena parte do espectro total, o que corresponde ao que chamamos de luz visível.

Há mais de 500 milhões de anos, o gene para o fotorreceptor duplicou e as cópias detergiram em sua função. Um gene produziu um fotorreceptor que era sensível a pequena quantidade de luz, o antecedente do fotorreceptor do tipo bastonete. O segundo gene produziu um fotorreceptor que requer alta iluminação, antecessor do fotorreceptor do tipo cone. Durante o curso evolutivo, outras duplicações produziram proteínas que variaram sua sensitividade a determinadas faixas do espectro luminoso. Essa é a base da visão de cores, que evoluiu separadamente em diferentes grupos de animais. Parte da capacidade observável em primatas ocorreu mais recentemente (ver)

Descobertas recentes sobre a regulação gênica do desenvolvimento do olho facilitaram a compreensão da evolução recente dos olhos. Foi mostrado que o gene homólogo Pax-6 controla a formação do olho em drosófila, rato e homem. A versão de rato mudou tão pouco que pode induzir o desenvolvimento de olhos em drosófilas. Essas descobertas sugerem que o gene Pax-6 existiu no ancestral comum entre drosófilas e mamíferos, um organismo que existiu antes da grande diversificação animal do Cambriano. Porém, Pax-6 é também encontrado em nemátodes, animais que não apresentam sequer fotorreceptores; esse gene está relacionado com o desenvolvimento da cabeça. Assim, possivelmente o gene Pax-6 controlava o desenvolvimento da cabeça no ancestral, e passou a controlar posteriormente a formação de olhos nas linhagens de insetos e mamíferos. Conforme a função do Pax-6 e de outros genes reguladores forem melhor compreendidos, será possível reconstruir uma história detalhada da evolução do olhos.