Hệ thần kinh gồm hai bộ phận chính:

+ Bộ phận thần kinh trung ương:
- Tủy sống
- Hành tủy và cầu Varol
- Tiểu não
- Não giữa và cuốn não
- Não trung gian
- Đại não và vở não

+ Bộ phận thần kinh ngoại biên:
- 12 đôi dây thần kinh xuất phát từ não bộ
- Hạch thần kinh

Sự ra đời của các quai hàm cho phép cá ăn được nhiều chủng loại thức ăn hơn, bao gồm cây cỏ và các sinh vật khác. Cá ăn thức ăn bằng miệng và sau đó bị phân tách nhỏ một phần trong thực quản. Khi thức ăn vào tới dạ dày, nó bị phân tách tiếp, và ở nhiều loài cá, quá trình phân rã tiếp theo trong các túi giống ngón tay gọi là manh tràng môn vị. Manh tràng môn vị tiết ra các enzym tiêu hóa và hấp thụ các chất dinh dưỡng từ các thức ăn đã tiêu hóa. Các cơ quan như gan và tụy bổ sung các enzym và nhiều hóa chất tiêu hóa khác khi thức ăn chuyển động trong hệ tiêu hóa. Tại ruột thì quá trình tiêu hóa được hoàn thiện và các chất dinh dưỡng được hấp thụ hoàn toàn qua thành ruột cung cấp cho cơ thể, các chất cặn bã còn lại được thải ra ngoài qua lỗ hậu môn.

Phần lớn các loài cá trao đổi các chất khí bằng mang, là bộ phận nằm ở các bên của hầu. Các mang được cấu thành từ các cấu trúc tương tự như sợi chỉ gọi là các thớ mảnh. Mỗi thớ mảnh chứa một hệ thống các mao mạch để có diện tích tiếp xúc bề mặt lớn cho việc trao đổi ôxy và điôxít cacbon. Cá trao đổi khí bằng cách hút nước giàu ôxy qua miệng và đẩy chúng qua các thớ mảnh của mang. Chúng sau đó đẩy nước nghèo ôxy ra ngoài thông qua các lỗ hổng ở các bên của hầu.

Một số loài cá, như cá mập và cá mút đá, có nhiều lỗ hổng của mang. Tuy nhiên, phần lớn các loài cá có một lỗ hổng của mang trên mỗi bên của cơ thể. Lỗ hổng này được che đậy bằng một lớp chất xương bảo vệ gọi là nắp mang. Một số loài cá, như cá có phổi, đã phát triển cơ chế thích nghi để cho phép chúng có thể tồn tại trong các khu vực nghèo ôxy hay những nơi mà nước thường xuyên bị khô cạn. Các loài cá này có các cơ quan đặc biệt có tác dụng như phổi. Chúng có một ống đưa không khí chứa ôxy tới cơ quan này theo đường miệng cá. Một số loài cá có phổi là những loài phụ thuộc vào việc nhận ôxy từ không khí và chúng sẽ chết ngạt nếu không được nhô đầu lên khỏi bề mặt nước.

Cá có hệ tuần hoàn khép kín với tim làm nhiệm vụ bơm máu vào một vòng tuần hoàn đơn trong suốt cơ thể. Máu từ tim đi tới các mang, sau đó từ mang đi tới toàn bộ cơ thể, và sau đó quay ngược trở lại tim. Ở phần lớn các loài cá, tim bao gồm bốn phần: tĩnh mạch xoang, tâm nhĩ, tâm thất và động mạch bụng. Mặc dù có bốn phần nhưng tim cá vẫn chỉ là loại tim hai ngăn.

Tĩnh mạch xoang là một cái túi có thành mỏng để thu thập máu từ các tĩnh mạch của cá trước khi cho nó chảy vào tâm nhĩ, là một ngăn lớn có cơ bắp. Giữa tâm nhĩ và tâm thất có các van có tác dụng cho máu chảy một chiều vào tâm thất. Tâm thất là ngăn có thành dày và có cơ bắp. Nó có tác dụng như một chiếc "máy bơm" thực thụ của tim. Nó bơm máu vào một ống to gọi là động mạch hình củ hành. Như một thiết bị ngoại vi, động mạch hình củ hành nối với mạch máu lớn gọi là động mạch chủ, từ đó máu chảy tới các mang cá.