Las porciones encefálicas consideradas hasta aquí son propias de la conducta automática, sin aprendizaje, que en principio es similar en todos los animales, desde el pez hasta el hombre. En cambio los hemisferios cerebrales, la parte anterior y mayor del encéfalo humano, tienen una función básicamente distinta que es la de dirigir la conducta aprendida. Los complejos fenómenos de la conciencia, inteligencia, memoria, discernimiento e interpretación de las sensaciones tienen su base fisiológica en las actividades de las neuronas de los hemisferios cerebrales.
El cerebro contiene algo más de la mitad del total de los 10,000 millones de neuronas del sistema nervioso humano. Los hemisferios cerebrales crecen como exhuberancias de la porción anterior del encéfalo, de modo que en el hombre y otros mamíferos crecen en todas direcciones sobre el resto del encéfalo hasta cubrirlo. Cada hemisferio contiene una cavidad, que se conocen como primero y segundo ventrículos respectivamente, cada uno conectado al tercero, situado en el tálamo, por medio de un conducto.
Estos dos ventrículos tienen un conglomerado de vasos sanguíneos que secretan líquido cefaloraquídeo.
El cerebro está también compuesto por sustancia blanca y gris. Esta última consta de haces de fibras y se encuentra en la parte interna, en tanto que la sustancia blanca forma la corteza del cerebro. En la profundidad de cada hemisferio se encuentran algunas masas grises, son centros nerviosos que funcionan estaciones de enlace desde la corteza y hacia ella. Los vertebrados inferiores con escasa sustancia gris presentan cortezas lisas, pero en el hombre y otros mamíferos la superficie de los hemisferios está formada por circunvoluciones. En esta forma las partes prominentes, separadas por surcos, dan más espacio para que se acumule sustancia gris.
La distribución de estas circunvoluciones es constante, incluso en seres humanos con diversos grados de inteligencia, de manera que forma una especie de topografía estudiada minuciosamente. Del mismo modo, la experiencia ha confirmado que muchas funciones están topográficamente situadas en la corteza cerebral. Así, en la parte posterior conocido como lóbulo occipital se asienta el centro visual. El centro de la audición está situado a cada lado del cerebro, sobre el oído.
En sentido descendente a cada lado de la corteza cerebral se reconoce con facilidad un surco profundo llamado cisura de Rolando el cual separa la zona motora (anterior) que gobierna la función de los músculos esqueléticos de la zona posterior en la que se reciben las sensaciones de calor, frío, tacto y presión, enviadas por los órganos del tacto de la piel.
A los dos lados de la cisura hay la especialización del lugar o zona del cuerpo: las neuronas de la porción cisural más elevada envían órdenes motoras a los pies, las inmediatamente debajo a la pierna y bajando más al muslo, abdomen y así sucesivamente hasta llegar a las más inferiores relacionadas con los músculos de la cara.