L'odorat est le seul sens à avoir un chemin pratiquement direct vers le cerveau. La perception olfactive réussit à parvenir plus directement vers le cerveau car elle a moins de synapses à traverser (qui sont des points de contact entre neurones) que les autres systèmes comme la vue, le toucher, le son qui arrive au système limbique moins directement après le système olfactif. La voie empruntée par le signal olfactif ne comporte que deux neurones, elle est donc plus courte que celles des autres perceptions sensorielles La perception des odeurs s'accompagne la plupart du temps de réactions émotionnelles. Le traitement du signal olfactif est spécifique: les axones des neurones récepteurs   d'un même type convergent dans le bulbe olfactif vers les glomérules qui sont  des sortes de pelote, ils sont mille fois moins nombreux que les capteurs. Ceci permet d'intensifier le signal qui est ensuite repris par un deuxième neurone qui envoie l'information vers plusieurs parties du cerveau. Une molécule odorante va «déclencher» plusieurs glomérules produisant au sein du bulbe une image olfactive en trois dimensions. A chaque odeur va correspondre un code défini par un ensemble de glomérules du bulbe olfactif. Le traitement de l'information reçu du parfum semble coopérer par plusieurs régions du cerveau. Par ailleurs, l'imagerie cérébrale montre que parmi les aires activées par les odeurs, le cortex orbitofrontal droit semble plus impliqué dans la reconnaissance des odeurs, tandis que le cortex gauche joue un rôle dans la réponse émotionnelle. 

Les neurones provenant du bulbe olfactif transfèrent donc le signal directement au cortex olfactif. Le cortex comprend plusieurs parties dont le cortex piriforme  et le cortex entorhinal qui sont positionnés près de l’amygdale qui est la zone des émotions et de l’hippocampe qui est la zone olfactive de mémorisation.