En las esponjas marinas aparecen las células neuroepiteliales, pero el tejido nervioso, como tal, aparece en los celentéreos formando una red nerviosa difusa, compuesta por grandes células nerviosas, con prolongaciones aún no diferenciadas en axones y dendritas, capaces de generan impulsos nerviosos que se transmiten por la red en todas las direcciones. En los celentéreos aparecen también células neuroepiteliales sensibles a estímulos táctiles, químicos y electromagnéticos, acompañadas en algunas especies de importantes avances en el diseño básico de la red nerviosa difusa que permiten un amplio repertorio conductual.
Los anélidos, artrópodos y moluscos el sistema nerviosos se organiza en masas neuronales compactas, denominadas ganglios. A lo largo de la filogenia se observa una acumulación progresiva de neuronas en la parte anterior del cuerpo de todas las especies animales, es el denominado proceso encefalización, que origina los ganglios encefálicos encargados de organizar el comportamiento del animal a través del control del resto de ganglios. Este proceso alcanza en los insectos y cefalópodos su máximo grado, acompañado de un considerable desarrollo de los órganos sensoriales y motores. Desde la aparición de los anélidos todos los invertebrados disponen de axones gigantes que recorren longitudinalmente el cuerpo del animal. Tienen gran calibre por lo que permiten una conducción rápida, pero costosa, de los impulsos nerviosos. Por ello, son utilizados sólo en situaciones extraordinarias de defensa o depredación.
El diseño del sistema nerviosos de los invertebrados tiene serias dificultades par incrementar el desarrollo alcanzado en insectos y cefalópodos debido, principalmente, a la baja velocidad de trasmisión del impulso nervioso que sus neuronas son capaces de alcanzar.