物理刺激通過感觉编码表現在神经系統里。信息神经编码的研究是理解大脑如何工作的基础。神经编码描述了一个特定神经簇的活动与它功能性结果之间的关系。神经系统的输入与输出可以被精确定义与量化。通过记录感觉处理过程中每一阶段的神经元活性，神经科学家企图解码刺激在边缘神经与大脑中的编码，分析信号在大脑皮层通路的转变。实际上，对神经编码细节的研究可能导向对认知的编码原则的洞见。
感觉受体会对一种类型的刺激能量作出响应。在每一感觉系统里，感受器提供了对外部世界的第一神经表征。一种特定类型的刺激能量被特定的感受器转成电信号，这一过程被称为刺激转导。由感受器产生的电信号被称为感受器电位，它的量和持续时长与刺激的强度、时间有关。大多数感受器会选择一种类型的刺激能量作出响应，这被称为受体特异性。我们看到特定的颜色，是因为我们的感受器选择性地对特定波长的光子敏感，我们闻到特殊的气味，是因为嗅觉感受器与特定的气味分子结合。
人类的感受器可被归类为机械性刺激感受器、化学感受器、视觉感受器与温度感受器。
有六种机械性刺激感受器用于感受皮肤变形、运动、拉伸和振动。肌肉包涵了三种，发出关于肌肉长度变化、速度与力量的信号，位于关节囊的感受器则发出关节角度变化的信号。
听觉基于两种机械性刺激感受器，内与外毛细胞转导位于内耳基底膜的运动。位于前庭迷路的毛细胞感受位于内耳的液体的运动与加速，发出头部运动与朝向的信号。
内脏机械性刺激感受器识别像膀胱这样内器官的膨胀。大脑里的渗透压感受器感觉水合状态，在细胞膨胀时被激活。特定的机械性刺激感受器报告威胁破坏组织的极端变形；它们的信号到达脑区的痛感中心。
化学感受器负责嗅觉、味觉、痒、疼痛和很多内脏感觉。疼痛的一种原因是化学感受器探测到组织损伤造成分子向细胞外流动，或探测到炎症反应中的分子。
皮肤上的温度感受器感觉皮肤温度。在下丘脑监测血液温度的温度感受器，主要负责我们感受冷热。
视觉由在视网膜上的四种光感受器调节。感光器的光敏感性决定了可见光谱。视杆细胞与视锥细胞里的感光色素，探测跨度为390纳米至670纳米波长的电磁能量。有些动物能识别紫外光或红外辐射。
当分析感觉体验时，需注意我们意识到的感觉与刺激的物理性质之间的差异，神经系统只提取每一刺激的一小片信息而忽略了其他，对这些信息的解释受到了大脑的内在结构与经验的限制。
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