يستخدم العلماء حجم دماغ الحيوان بالنسبة إلى جسمه كمؤشر تقريبي لذكائه، وعلى الرغم من أن هناك عوامل أخرى تؤثر في الذكاء، إلا أن الحيوانات الأكثر ذكاءً عادة ما تكون لديها نسبة أعلى من حجم الدماغ الى حجم الجسم.
تحتوي الأخطبوطات على عدد كبير من الخلايا العصبية، وعلى سبيل المثال يحتوي الأخطبوط الشائع (فولغاريس) على حوالي 500 مليون خلية عصبية، توجد حوالي ثلثي هذه الخلايا في ذراعي الأخطبوط، في حين توجد الباقي في دماغه الذي يأخذ شكل دوامات ملفوفة حول المريء وفي رأسه.
وقد أظهرت الأخطبوطات ذكاءًا في عدة طرق مختلفة، في التجارب تمكنت من حل المتاهات وإكمال المهام الصعبة للحصول على مكافآت الطعام، كما وجد أنها بارعة في إدخال أنفسها وإخراجها من الحاويات بمهارة.