Autonomiczny układ nerwowy, zwany także wegetatywnym (bez udziału świadomości) kontroluje czynności narządów wewnętrznych. Unerwia mięśnie gładkie przewodu pokarmowego, płuca, nerki, serce i naczynia krwionośne, narządy rozrodcze, skórę oraz liczne gruczoły.
Układ autonomiczny, podobnie jak somatyczny, składa się z części ośrodkowej (ośrodki w mózgowiu i skupienia komórek nerwowych w rdzeniu kręgowym) i części obwodowej (zwoje obwodowe i nerwy).
Ośrodki wkładu autonomicznego znajdują się w pniu mózgu - części mózgowia mającej istotne znaczenie dla czynności i kory mózgowej i całego organizmu. Są to: ośrodek regulujący pracę serca i układu naczyniowego, ośrodki oddechowe, obszary chemowrażliwe (na CO2 i substancje szkodliwe - ośrodek wymiotny). Od pnia mózgu odchodzą nerwy czaszkowe. Biegną nimi polecenia do serca, naczyń, mięśni oddechowych. Wpływają na motorykę i czynności trawienne przewodu pokarmowego. Poza tym regulują ruchy gałek ocznych, głowy, mięśni twarzy oraz ruchy żuchwy i języka związane z mową, pobieraniem pokarmu i przełykaniem. W pniu mózgu znajdują się ośrodki związane ze snem, marzeniami sennymi i czuwaniem.
Układ autonomiczny dzieli się na układ współczulny, inaczej sympatyczny (pobudzający) i przywspółczulny, inaczej parasympatyczny (hamujący). Wszystkie narządy wewnętrzne są unerwione jednocześnie przez oba te układy - ich działanie jest względem siebie antagonistyczne.
Układ współczulny (sympatyczny) jest pobudzany w sytuacji stresowej. Przez to, że działa na cały organizm, doprowadza do jego pełnej mobilizacji. Jego ośrodki (ciała neuronów przedzwojowych) znajdują się w części piersiowo-lędźwiowej w jej rogach bocznych. Zwoje układu współczulnego znajdują się głównie wzdłuż kręgosłupa, po jego obu stronach (pień współczulny). Są to zwoje przedkręgowe, bardziej oddalone od kręgosłupa, do których dochodzą włókna przedzwojowe (te, które nie utworzyły synaps w pniu współczulnym) oraz zwoje śródścienne, znajdujące się na powierzchni narządów lub w ich ścianach. Włókna przedzwojowe są bardzo krótkie, białe, mielinowe i wydzielające acetylocholinę. Natomiast włókna zazwojowe są długie, szare i bezrdzenne i wydzielające adrenalinę. Układ ten powoduje wzrost napięcia mięśni gładkich w naczyniach a także pobudza pracę serca, co prowadzi do wzrostu ciśnienia krwi i wzmaga wentylację płuc, rozszerzając oskrzela. Ponadto stymuluje procesy kataboliczne - rozkład glikogenu i tłuszczów - podnosząc stężenie substratów energetycznych we krwi. Trzyma mocz w pęcherzu moczowym, powoduje ejakulację - wytrysk nasienia, skurcz śledziony, wydzielanie adrenaliny i noradrenaliny przez nadnercza. Ma również wpływ na skórę. Powoduje skurcz i jeżenie włosów dzięki mięśniom przywłosowym oraz reguluje słabe pocenie. Pobudzenie układu współczulnego prowadzi także do silnego wzbudzenia kory mózgowej i ośrodków podkorowych, wzmaga czujność, koncentrację i uwagę, rozszerza źrenice, wpływając na ostrość widzenia. Hamuje natomiast funkcje trawienne i perystaltykę przewodu pokarmowego oraz zmniejsza jego ukrwienie. Układ współczulny zatem wyostrza zmysły i mobilizuje siły organizmu, umożliwiając mu przetrwanie warunków niekorzystnych, zagrażających życiu, dlatego tez jest zwany „układem walki i ucieczki”.
Układ przywspółczulny (parasympatyczny) obejmuje nerwy czaszkowe, odchodzące od pnia mózgu i nerwy rdzeniowe opuszczające rdzeń kręgowy w części krzyżowej (w tych miejscach znajdują się ciała jego neuronów przedzwojowych). Największymi nerwami przywspółczulnymi są nerwy błędne (X). ich nazwa wzięła się stąd że „błądzą” one po klatce piersiowej i jamie brzusznej, oddając przedzwojowe odgałęzienia do zwojów położonych w obrębie narządów wewnętrznych: serca, trzustki, jelita, pęcherza moczowego itp. Zawierają one zarówno włókna dośrodkowe przewodzące informacje czuciowe z narządów wewnętrznych do OUN, jak i odśrodkowe. Ich włókna zazwojowe są krótkie, dlatego też działanie układu przywspółczulnego jest lokalne. Mediatorem synaptycznym układu jest acetylocholina. Aktywność układu przywspółczulnego przeważa podczas snu, odpoczynku i psychicznego odprężenia, a zatem w okolicznościach sprzyjających nasileniu procesów wegetatywnych. Pobudza wydzielanie soków trawiennych, perystaltykę jelit i zwiększa dopływ krwi do nich. Zwalnia akcję serca, rozszerza naczynia, obniża ciśnienie krwi, zmniejsza objętość oddechową płuc, zwęża źrenice. Obniża podstawową przemianę materii i temperaturę ciała.