Заслуги Галена особенно велики в исследовании нервной системы. Изучая нервную систему, он успешно продолжал развивать основные понятия Алкмеона и Гиппократа, утверждая, что центром мышления и чувствования является мозг. Мозжечок и спинной мозг Гален считал выходящими из головного мозга, как из некоего «корня». Мозг Гален считал источником двигательной способности организма, а вовсе не железой, охлаждающей слизью теплоту сердца, как считал Аристотель. Желая доказать это на эксперименте, Гален колол и зажимал сердце щипцами, и это не вызывало расстройств чувствительной сферы ИЛИ сознания. Когда же он делал такие раздражения в мозге, они всегда сопровождались лотерей чувствительности и сознания. Таким экспериментом Гален опроверг концепцию Аристотеля, что сердце - центр чувствительности организма.
Гален, исследуя субстанцию головного мозга, отмечал, что мозг мягче в переднем отделе и плотнее в заднем отделе, в мозжечке и в спинном мозге, особенно в его окончании.
Гален тщательно описывал все отделы мозга: мозговую спайку, боковые или передние желудочки, средний желудочек, четвертый желудочек, свод, служащий для поддержания тяжести расположенных над ним частей мозга и для защиты желудочков от давления на них. Гален отмечал между задними ножками мозга наличие лиры Давида, описал «писчее перо», ножки мозжечка к четверохолмию, конический придаток мозга - шишковидную железу, мозжечок, червячок мозжечка и четверохолмие. Он упоминал о воронке, на которой подвешена мокротная железа - придаток мозга.
Описывая спинной мозг, Гален замечал: «Знайте, что спинной мозг дает начало всем плотным нервам, а его нижний конец самым плотным, что головной мозг есть источник всех мягких нервов, а центр его передней части предназначен для самых мягких; наконец, место соединения головного и спинного мозга есть начало субстанции средних нервов». Гален отмечал наличие связи органов чувств с мозгом. Он сделал ряд интересных опытов с перерезкой спинного мозга на различных уровнях его протяжения и пытался установить его роль и значение в двигательных актах организма и в чувствительных восприятиях. Рассекая поперечно спинной мозг, Гален наблюдал потерю чувствительности и двигательные расстройства в областях, расположенных ниже места сечения. Разрезая спинной мозг по всей его длине, он не отмечал расстройств ни чувствительных, ни двигательных. Перерезая спинной мозг между атлантом и затылком или между атлантом и эпистрофеем, он наблюдал наступление смерти животного сразу после перерезки.
Свой замечательный вывод, сделанный на основании эксперимента на «живой» нервной системе животного, Гален сформулировал так: «Если рассекать какой угодно нерв или спинной мозг, то части органа, лежащие выше места сечения и остающиеся в связи с головным мозгом, сохраняют еще способности, исходящие из этого начала, между тем как вся часть, лежащая ниже разреза, не в состоянии более сообщать этому органу ни движения, ни чувствительности». Гален делал частичную резекцию вещества мозга, даже резецировал полушария мозга, при этом животное не теряло способности движения и не теряло чувствительности. Паралич он наблюдал лишь тогда, когда вскрывал желудочки мозга; особенно резко это проявлялось при повреждении четвертого желудочка мозга, сопровождающемся полным параличом животного.
Гален дал описание нервных центров в головном мозге; он привел такой поразивший его как врача и экспериментатора эпизод: «В городе Смирне в Ионии мы были свидетелями такого невероятного случая. Мы видели молодого человека, раненного в один из передних желудочков мозга и после этого ранения оставшегося в живых, как казалось, по воле бога; нет сомнения, что он не остался бы жив ни одной минуты, если бы сразу были ранены оба желудочка».
Очевидно, Гален больше доверял законам природы, чем «воле бога». Галей всегда охотно ссылался на авторитет Гиппократа и подчеркивал, что он «везде славит справедливость природы и ее предусмотрительность к живым существам. Если долг правосудия тщательно все расследовать и воздать каждому по заслугам, то разве природа может не превосходить всех своей справедливостью». Таковы взгляды Галена, этого неутомимого исследователя природы, гениального зачинателя экспериментальной морфологии животных и человека. Его интересуют строение и функция всех отделов центральной и периферической нервной системы.
По мнению Галена, спинной мозг,, начинающийся на уровне «писчего пера»,- производное головного мозга. Неосновательно упрекая в невежестве Праксагора и Филотима, справедливо считавших головной мозг продолжением спинного, Гален правильно описал оболочки мозга, исключая паутинную, которой он не знал. Ощущение боли, по представлению Галена, берет свое начало в нервах.