El procesamiento más complejo de la información sensorial tiene lugar a nivel cortical y en él están implicadas diferentes áreas. Esta información proviene de núcleos especializados del tálamo (a excepción de la información olfatoria) y alcanza, en primer lugar, las áreas sensoriales primarias, y desde ellas es transmitida a las áreas sensoriales secundarias y a las áreas de asociación, que constituyen el nivel más complejo de procesamiento, integrándose en algunas de ellas las señales procedentes de las áreas que procesan diferentes modalidades sensoriales.
La corteza somatosensorial comprende la corteza somatosensorial primaria y secundaria. Ambas áreas proyectan a la corteza parietal posterior.
La corteza somatosensorial contiene un mapa representativo de todas las partes del cuerpo, aunque éste no guarda relación con su tamaño (homúnculo sensorial) y presenta una organización columnar. Cada columna constituye un módulo funcional que codifica la localización y cualidad de cada estímulo.
La corteza somatosensorial realiza una integración de la información sobre las distintas características del estímulo, lo que hace que percibamos el objeto completo. La corteza parietal posterior interviene en la percepción de las relaciones espaciales y de la propia imagen corporal.
Las neuronas de la corteza visual primaria responden a estímulos cada vez más complejos, por lo que en función de sus respuestas se distinguen células simples y células complejas. Las células simples responden a estímulos alargados, como hilos o barras de luz, con diferentes orientaciones en el espacio. Las células complejas sólo responden si el estímulo alargado se mueve en una dirección determinada, presentando las propiedades de selectividad de la dirección y finalización de campo receptivo.
Aunque la mayoría de las neuronas corticales son binoculares, las células simples y complejas muestran una respuesta preferente a la información proveniente de un ojo, formando las columnas de dominancia ocular. Además, aquellas que muestran una preferencia por la orientación determinada de un estímulo se agrupan en las denominadas columnas de orientación. Al conjunto de las columnas que cubren todos los ángulos posibles de orientación se les denomina hipercolumnas.
Otras agrupaciones de neuronas corticales son sensibles al color (doblemente oponentes al color) y se denominan estacas o manchas. Las columnas de dominancia ocular, las estacas y las columnas de orientación se disponen de modo que constituyen bloques funcionales denominados módulos, en los que se procesan aspectos muy variados de la información visual como la forma, la profundidad, el color, ..., etc.
La percepción vidual parece ser el resultado del análisis integrado de miles de módulos corticales a los que llega la información procedente de niveles inferiores de procesamiento. En todos estos niveles se mantiene una segregación de funciones, de modo que los componentes de la imagen visual, como el color, el movimiento, la forma o la profundidad se analizan de forma separada. Son todas las áreas corticales implicadas en el procesamiento visual quienes generan de forma integrada la imagen del mundo que nos rodea.