在生物學家眼中，章魚是地球上最聰明的生物類群之一。它們能像近親墨魚那樣變換體色，也能模仿海洋中各種生物或非生物，甚至能有目的地玩耍和學習。無論是在實驗室還是水族館，章魚都以出色的「逃跑」能力著稱，它們甚至會為了食物而在夜晚突襲隔壁的水族箱。。一隻名為「Inky」的章魚就在紐西蘭水族館上演了「勝利大逃亡」，鑽入排水管逃回了大海。或許對章魚來說，水族箱和海邊的潮池並沒有太大不同，只是進出時要多費點勁而已。當然，章魚家族令人瞠目結舌的高超本領還不止這些。
噴水的章魚
在紐西蘭的奧塔哥大學，一隻章魚會在無人看管的情況下，朝著燈泡噴水，致使電線短路，從而達到關燈的目的。最後，研究者被迫野放了這隻章魚，因為維修電路的成本太高了。當然，這隻章魚並不是真的知道這麼做可以讓自己重獲自由，它只是不喜歡明亮的燈光。和其他所有章魚一樣，它會朝各種各樣惹惱自己的東西噴水。
有趣的是，同樣在奧塔哥大學那間遭遇「熄燈」的實驗室裡，一隻章魚無緣無故地討厭起某位實驗室工作人員，只要後者經過水族箱，頭部後方就會遭到章魚的噴水襲擊——水量將近兩升！無獨有偶，在加拿大戴爾豪斯大學的實驗室中，養了一隻會對新訪客噴水的烏賊，但不會對熟悉的人噴水。2010年的一項實驗表明，北太平洋巨型章魚能夠辨別人類個體，即使穿著制服也能區分。
使用工具
1984年，科學家在百慕達海域觀察到一隻真蛸（又稱普通章魚）有用小石頭在巢穴前方築起「石牆」的行為。有人認為這說明了章魚會使用工具，但也有人認為，這可能只是章魚的本能行為，而不是經過計算的結果。
那麼，有沒有更具說服力的證據說明章魚會使用工具呢？這裡就要條紋蛸出場了。2009年，澳大利亞科學家發現一些條紋蛸會挖出落在海底的廢棄椰子殼，用水流清洗之後把它們拖動多達20米的距離，再重新組合成一個庇護所。
在潛水者拍攝的視頻中，條紋蛸把椰殼凸出的一面朝下，用觸腕「抱住」椰殼，以一種非常喜劇的方式「走」過海床。雖然看起來很緩慢、笨拙，並且耗費許多能量，在遇到天敵時也更加脆弱，但條紋蛸願意接受這些風險，以換取未來能獲得保護。這是一個很有力的證據，表明章魚確實能使用工具。
會玩又會學
除了會使用工具，章魚還很會玩。玩耍通常是高認知能力動物的專利。很難準確定義什麼是「玩耍」，但在廣義上，玩耍可以視為一種不會馬上帶來好處而只提供樂趣的活動。科學家做過一個有趣的實驗，將8隻北太平洋巨型章魚放入沒有其他東西的水族缸中，再放入一些能漂浮的塑料藥瓶。一開始，這些章魚都把藥瓶放到嘴裡，顯然是想知道能不能吃，之後就把藥瓶丟到一邊。
幾次實驗後，其中兩隻章魚開始對著藥瓶噴水。這些藥瓶翻滾到水族缸的另一端，又被水流推回章魚身邊。研究者認為，這是一種探索性的玩耍行為。當身處新的環境時，章魚做的第一件事就是去探索。它們對新事物的態度會逐漸從「這有什麼用」轉變為「我能用它來做什麼」。
科學家還對章魚的個性差異進行了研究。他們在水族缸裡養了44隻太平洋紅蛸，在兩周時間裡，研究者每隔一天打開水族缸蓋子，用試管刷觸碰章魚，並給它們美味的螃蟹吃。研究人員記錄了19種不同的反應。可以看出，不同的章魚有著非常不同的「個性」，比如有的章魚會比較被動，有的則過分好奇。
章魚還能通過不斷嘗試來解決問題。北太平洋巨型章魚在攝食不同貝類時有不同的方法，為了吃到美味的貝肉，它們會打碎外殼比較脆弱的貽貝，拉開外殼相對較硬的花蛤，以及用齒舌鑽入堅硬有力的蚌蠣外殼。如果三種貝類都在眼前，章魚會更青睞貽貝，因為它們花最少的力氣就能飽餐一頓。
偽裝大師
在所有偽裝者中，擬態章魚毫無疑問是「偽裝大師」頭銜的最有力競爭者。其他章魚能改變體色和皮膚紋理來欺騙掠食者，而擬態章魚是唯一能模擬其他動物形態的章魚。它們能改變形狀、運動和行為方式，模仿至少15種動物。
在沙質海底移動的時候，擬態章魚會把觸腕貼著身體放平，並像有毒的比目魚一樣上下起伏地遊動。在開闊水域中遊動時，它們又會模仿蓑鮋——同樣是有毒的。擬態章魚的另一個把戲是將6隻觸腕放入一個洞穴裡，然後伸出剩餘的兩隻觸腕，就像一條有毒的海蛇。
迷宮測試
科學家觀察到，章魚在捕獵之後通常不會走老路返回巢穴。它們會在捕獵中不斷造訪生活範圍內的不同地方。章魚具有複雜的記憶能力，能記住已知地點的捕獵價值，以及最近造訪過哪些地方。
當動物利用地標來幫助導航時，它們必須理解地標在環境中的關聯性。這種能力被稱為「條件區辨」，是一種複雜的學習形式，通常只有脊椎動物才具備。在2007年的一項研究中，科學家把加州雙斑蛸放入兩個不同的迷宮。每次實驗中，章魚必須從一個中央被照亮的水族缸爬回黑暗的洞穴——它們更加喜歡的環境。
為了達成目標，章魚還必須避開一個假洞穴，那裡面被一個翻轉的玻璃瓶堵住。幾次實驗後，大部分章魚都學會了識別自己所處的是哪一種迷宮，並且能很快地朝著正確的洞穴移動。這個實驗表明章魚也具有一定的「條件區辨」能力。
相似而又不同
章魚的大腦在許多方面與我們人類的大腦很類似。它們具有與脊椎動物類似的摺疊腦葉，這一特徵正是複雜性的表現。此外，章魚大腦的電生理模式也與哺乳動物十分相似。
章魚還具有單眼視覺，即喜歡一隻眼的視覺勝過另一隻眼。這一特徵通常出現在那些大腦兩個半球具有不同特殊功能的物種中，最初還被認為是人類獨有，並且與更高的認知技能（比如語言）有聯繫。
章魚甚至在儲存記憶的方式上也與人類相似。人類與章魚最近的共同祖先可能要追溯到多細胞生命歷史的最初階段，是一種非常簡單的生命。也就是說，這種大腦結構的相似性是獨立演化出來的。
比這些相似性更加令人不可思議的是差異性。在章魚5億個神經細胞中，有超過一半位於觸腕，這意味著它們的8隻觸腕既能獨立行動，也能互相合作。研究者發現，章魚的觸腕被切斷後，捏起來時還會收縮——甚至是在切斷一小時後。很顯然，章魚的觸腕在相當程度上能夠自主活動。
章魚為什麼會如此聰明？一項新研究或許可以給我們一些線索。科學家發現，章魚和魷魚等動物能通過編輯自己的基因來學習新的技能，但這麼做的代價就是演化速度的減慢。此前的研究中，科學家發現魷魚的RNA（核糖核酸，負責蛋白質合成的分子）編碼區域表現出非常高的編輯率。在這些結果的基礎上，來自美國芝加哥大學海洋生物實驗室的科學家發現，烏賊大腦中超過60%的RNA轉錄物是通過重編碼記錄下來的，而人類身上這一比例只有1%。
在後續研究中，科學家在其他3個頭足類物種中發現了同樣活躍的RNA編輯水平。這3個物種包括兩種章魚和一種墨魚，它們都屬於蛸亞綱（Coleoidea）。研究人員還鑑別出了數千個演化過程中保存下來的RNA重編碼位點。RNA編輯現象在這些動物的神經系統中尤為突出，影響了許多在大腦功能和結構中起關鍵作用的蛋白質合成。