如果說大自然是神奇的發明家，從無到有、從少到多地創造了世間萬物，那麼人腦一定是其最偉大的發明之一。人腦並非橫空出世，而是經歷了自然界億萬年的演化歷程。
原始的單細胞動物（如變形蟲）和低等的多細胞動物（如海綿）沒有神經系統，它們只能夠被動地適應環境，環境適合就生長繁殖，環境不好就死亡。到了腔腸動物（如水螅）才出現神經網，這是最簡單的神經系統，它增強了水螅捕食和躲避傷害的能力。
環節動物（如蚯蚓）的神經元開始集中，形成了神經節並組成了神經鏈。神經鏈的產生使蚯蚓有更敏銳的觸覺和運動能力。蚯蚓可以根據樹葉的形狀採取不同的方式來拖拉，對窄樹葉會抓其柄部，對寬樹葉則抓其尖端，更有效地把樹葉拖入洞中。
螃蟹、蜜蜂和螞蟻為代表的節肢動物出現了腦神經節、足神經節和腹神經節。其中腦神經節特別大，已經有能力「領導」全身的行為了。
距今4.8億年的奧陶紀出現了原始的脊椎動物——魚。魚類出現了比較成型的腦，但是容積很小、表面光滑。魚類中鰻鱺的腦僅佔體重0.005%。爬行動物出現了比較發達的大腦半球，鳥類和哺乳動物的腦功能越來越複雜精巧，適應環境的能力也更強。
哺乳動物當中有一些相當聰明的物種，比如，海豚的腦重約1600克，佔體重0.9%，它的神經元分布的密度也和人腦相似。海豚被認為是目前地球上智力最高的生物之一。但是，海豚為什麼沒有進化得更加完美？很大的原因是海洋生活造成的限制——沒有靈巧的能夠製造工具的雙手。
黑猩猩的腦重佔體重0.7%，它們有較高水平的感知能力，有哭和笑這類面部表情，會利用簡單的聲音進行交流，會利用工具取食。它們為什麼沒能進化成人類？這和食性有關，它們只吃植物和少量昆蟲，而吃魚類等含有豐富蛋白質和脂類的食物，對人類大腦的進化發揮了至關重要的作用；也和環境有關，它們停滯在熱帶森林裡相對安逸，而不像人類祖先那樣走出森林，在複雜多變的環境裡經歷物競天擇。
大約250萬年前，地球上出現了會製造工具、從事勞動的原始人類（能人）。能人的腦重只有現代人的1/3至1/2，他們已經學會了使用工具，並漸漸開始直立行走。大約25萬年前至3萬年前是尼安德特人（早期智人）繁榮的時期，他們分布於歐洲和中亞等地區，以狩獵為生。尼安德特人的腦重與現代人相當，他們會製造並使用各樣的石制工具和木製長矛，也會埋葬死者，照料生病或受傷的人，具有了和現代人相似的理性和情感。2.4萬年前，他們神秘地消失了，取而代之的是另一支從原始人類進化而來的晚期智人。
晚期智人是當今世界四大人種共同的祖先。他們的腦重約1250克，稍低於現代人，也稍低於尼安德特人。他們生活於距今1萬到5萬年前，過著原始部落那種茹毛飲血、逍遙自在的生活。男人打獵捕魚，女人採集植物和管理氏族的內部事務。他們的智力進化到與現代人幾乎相等的水平。如果讓1萬年前的人類突然跨入我們的社會，他們一定驚訝無比，不知所措，但是他們能夠慢慢理解我們這個社會的科學、藝術、宗教、道德、法律……從腦功能的角度來評價，已經是聰明的人類。
地球的進化用了46億年，人類的進化用了250萬年。人類真正的文明歷程卻不過區區1萬年。這1萬年裡，人類上天入地、遨遊深海、探索外星，卻無法解開自己的大腦之謎，它比宇宙中的繁星更神秘，既精巧又脆弱。
未來人腦會如何進化？是否會出現智商遠高於我們的人類？大多數科學家認為，從生物進化的角度是不可能的，但是科技的發展又使其具有可能。智力的無限上揚未必是好事，就個體幸福和社會和諧而言，我們也許已經有足夠的智慧來使用自己的頭腦，並善用科技、文化等無數人類智慧的結晶。