Nervový systém hmyzu lze rozdělit na mozek a ventrální nervovou míchu. Hlavová kapsle se skládá ze šesti srostlých segmentů, každý s párem ganglií, nebo shlukem nervových buněk mimo mozek. První tři páry ganglií jsou srostlé do mozku, zatímco tři následující páry jsou srostlé do struktury tří párů ganglií pod jícnem hmyzu, zvané subesofageální ganglion.:57
Hrudní segmenty mají na každé straně jeden ganglion, který je spojen do páru, jeden pár na segment. Toto uspořádání je také vidět v břiše, ale jen v prvních osmi segmentech. Mnoho druhů hmyzu má snížený počet ganglií v důsledku srůstu nebo redukce. Někteří švábi mají jen šest ganglií v břiše, zatímco vosa Vespa crabro má jen dva v hrudníku a tři v břiše. Někteří hmyz, jako například moucha domácí Musca domestica, má všechny tělní ganglie srostlé do jednoho velkého hrudního ganglionu.
Nejméně několik druhů hmyzu má nociceptory, buňky, které detekují a přenášejí pocity bolesti. To bylo objeveno v roce 2003 studiem variace reakcí larev mouchy obecné Drosophila na dotek zahřáté sondy a nezahřáté sondy. Larvy reagovaly na dotek zahřáté sondy stereotypním valivým chováním, které se neprojevilo, když se larvy dotkly nezahřáté sondy. Ačkoli byla nocicepce prokázána u hmyzu, není shoda na tom, že hmyz cítí bolest vědomě, ale viz Bolest u bezobratlých.