Los circuitos nerviosos implicados en el procesamiento de la información sensorial en el SNC están organizados de forma jerárquica, de modo que las señales sensoriales fluyen desde los niveles inferiores a los niveles superiores, constituidos por diversas áreas corticales.
En general, la información procedente de los receptores sensoriales es transmitida a la médula espinal y al tronco del encéfalo mediante vías aferentes constituidas por axones de neuronas primarias agrupadas en los ganglios periféricos. Estas neuronas establecen sinapsis con neuronas secundarias situadas en la médula espinal y el tronco del encéfalo. La información visual y la olfativa son una excepción pues alcanzan directamente el tálamo y los bulbos olfatorios, respectivamente. Las neuronas secundarias establecen sinapsis con neuronas terciarias situadas en núcleos especializados del tálamo.
Esta organización se denomina en serie, pero también existe una organización en paralelo de los circuitos sensoriales. Algunos de estos circuitos presentan una decusación de sus fibras, como ocurre en el sistema somatosensorial o visual, de modo que la información de una parte del cuerpo llega al hemisferio contralateral.
Una característica de especial relevancia es la existencia de una disposición ordenada de las aferencias sensoriales, que se mantiene en los diferentes niveles de relevo de la información hasta alcanzar el nivel cortical. Ello permite que en la corteza cerebral exista una representación de las diferentes partes del cuerpo, de la retina, de la cóclea, etc..., dando lugar a un mapa somatotópico, retinotópico o tonotópico.