Вытянутый стволообразно спинной мозг помещается в верхней трубке позвоночного столба и больше, чем у остальных позвоночных животных, превосходит по величине головной мозг. Последний очень мал и далеко не заполняет полости черепа. Различают передний, средний и задний мозг. Обонятельный нерв представляет непосредственное продолжение переднего мозга. За последним следуют более крупные вздутия среднего мозга, от которого берут начало зрительные нервы, наконец, за средним мозгом расположен задний мозг, всегда состоящий из двух частей; он может быть сильно развит. Нервы расположены так же, как у других позвоночных животных. Хотя органы чувств и уступают органам чувств высших животных, тем не менее они существуют почти у всех рыб и только в очень редких случаях малоразвиты. Глаза по большей части очень крупные, спереди плоские и совершенно лишены век, только у слепых рыб затянуты непрозрачным покровом тела. Радужная оболочка глаз обыкновенно отливает чрезвычайно яркими, металлическими цветами. Нос образует у низкоорганизованных представителей класса бокаловидную ямку, у остальных же рыб он представляет трубку, погруженную на передней части рыла в хрящ и часто прикрываемую клапаном. У рыб, дышащих легкими, ноздри ведут в обширную полость, из которой два прохода открываются книзу в ротовую полость. Орган слуха, помещающийся всегда в черепе, состоит только из лабиринта, который лишь в исключительных случаях соединен посредством одного или двух каналов с ямкой, расположенной на затылке. Эта ямка есть первый зачаток наружного уха.
Жабры расположены на дугах, окружающих полость зева, но отделены друг от друга щелями и представляют собой мягкие выдающиеся кожистые листочки. На этих листочках разветвляются кровеносные сосуды. По своему строению жабры очень разнообразны. У высших рыб жаберные щели защищены снаружи костяной крышечкой и поэтому помещаются в полости, которая сообщается с внешней средой посредством более или менее узкой щели. Обыкновенно четыре жаберных дуги усажены двойным рядом листочков, у многих костистых рыб только 3½ дуги, у иных только 3, у некоторых даже только 2, между тем как некоторые акулы имеют 6 или 7 пар жабр. За исключением легочных рыб, ни один представитель класса рыб не имеет дыхательных мешков, которые получают кровь, богатую углекислотой, и выпускают кровь, богатую кислородом. Напротив того, плавательный пузырь, своеобразный мешковидный орган, очень часто существует; он хотя и содержит воздух, но не имеет никакого отношения к процессу дыхания, скорее же связан со слуховым проходом или с глоткой. Он служит, по всей вероятности, для уравновешивания веса рыб на различной глубине и при различном давлении. Воздух плавательного пузыря изолирован, без сомнения, от его сосудов, так как он состоит из углекислоты или азота и содержит очень немного кислорода. Ронделет впервые заметил, что этот орган, еще загадочный во многих отношениях, чаще встречается у пресноводных, чем у морских рыб.
За исключением ланцетника, все рыбы имеют сердце, окруженное сердечным мешком. Сердце состоит из нераздельного, тонкостенного предсердия и очень мускулистого желудочка, который спереди продолжается посредством одного только отверстия в жаберный кровеносный сосуд, вздутый в виде луковицы. Последний, так называемая аортальная луковица, бывает построен двояко. У костистых и круглоротых рыб у отверстия желудочка находятся два полулунных клапана, а у твердочешуйных и поперечноротых рыб клапанов значительное количество. Кровь течет из сердца по большой жаберной вене и разделяется по обеим сторонам на сосудистые дуги, которые образуют жаберные полые вены и разветвляются в жабрах в виде многочисленных сеточек волосных сосудов. Затем кровь переходит в жаберные артерии, которые распределяются по одной на каждой жаберной дуге, и из них кровь собирается в один главный ствол — аорту, которая тянется под позвоночным столбом. Артерии головы обыкновенно возникают еще ранее образования аорты из жаберной артерии первой дуги. Кровь возвращается из тела в сердце по полой вене, которая в хвосте одна, а впереди разделена на две. Но прежде чем возвратиться в сердце, часть крови проходит почечно-воротную кровеносную систему. Кровь, проходящая во внутренности, собирается в полых венах, которые в печени снова распадаются на сеть волосных сосудов воротной вены и тогда только собираются в печеночную полую вену, которая почти непосредственно переходит в предсердие.