นิวรอนออกแบบโดยเฉพาะเพื่อประมวลและส่งสัญญาณระหว่างเซลล์เพราะมีหน้าที่มากมายในส่วนต่าง ๆ ของระบบประสาท เซลล์จึงมีรูปร่าง ขนาด และคุณสมบัติทางเคมีไฟฟ้าต่าง ๆ หลากหลายยกตัวอย่างอย่างเช่น

• ตัวเซลล์ (soma) อาจมีขนาดระหว่าง 4-100 ไมโครเมตร[5] เป็นส่วนที่มีนิวเคลียสเหมือนเซลล์ทั่วไป และเป็นส่วนที่สังเคราะห์โปรตีนโดยมาก นิวเคลียสอาจมีขนาดระหว่าง 3-18 ไมโครเมตร[6]
• ใยประสาทนำเข้า/เดนไดรต์เป็นส่วนยื่นออกของเซลล์ที่มีสาขามากมาย รูปลักษณ์และโครงสร้างทั่วไปเรียกโดยอุปลักษณ์ได้ว่า เป็นต้นไม้เดนไดรต์ (คือคล้ายรากไม้) เป็นส่วนที่รับสัญญาณผ่านเดนไดรติก สไปน์เข้าสู่ตัวเซลล์โดยมาก
• แอกซอนเป็นโครงสร้างที่ดูบอบบางกว่าและดูเหมือนกับสายเคเบิลที่ยื่นออกไปเป็นระยะเป็นสิบ ๆ เป็นร้อย ๆ หรืออาจเป็นหมื่น ๆ เท่าของขนาดตัวเซลล์ เป็นตัวส่งสัญญาณประสาทไปจากตัวเซลล์ (แต่ก็นำข้อมูลอะไรบางอย่างกลับไปยังตัวเซลล์ด้วย) นิวรอนจำนวนมากมีแอกซอนแค่อันเดียว แต่ปกติแอกซอนจะแตกสาขามากมาย ทำให้สามารถสื่อสารกับเซลล์เป้าหมายเป็นจำนวนมาก
• จุดที่แอกซอนยื่นออกมาจากตัวเซลล์เรียกว่า axon hillock นอกจากจะเป็นโครงสร้างทางกายวิภาคแล้ว axon hillock ยังเป็นส่วนที่มีช่องโซเดียมเปิดปิดโดยศักย์ไฟฟ้า (voltage-dependent sodium channels) ที่หนาแน่นที่สุด ซึ่งทำให้มันเป็นส่วนที่เร้าง่ายที่สุดในนิวรอนและเป็นโซนที่จุดชนวนการส่งสัญญาณ (spike) ของแอกซอน ถ้ากล่าวถึงคุณสมบัติทางสรีรวิทยาไฟฟ้าของมัน ก็จะกล่าวได้ว่ามันมีขีดเริ่มสร้างศักยะงานที่เป็นขั้วลบที่สุดในเซลล์ แม้ว่า แอกซอนและ axon hillock โดยทั่วไปจะมีหน้าที่เกี่ยวกับการส่งข้อมูล แต่ axon hillock ก็ยังสามารถรับสัญญาณจากนิวรอนอื่น ๆ ได้ด้วย
• ส่วนปลายแอกซอน (axon terminal) จะมีจุดประสานประสาท/ไซแนปส์ (synapse) ซึ่งมีหน้าที่เฉพาะคือปล่อยสารสื่อประสาทออกเพื่อสื่อสารกับเซลล์เป้าหมาย

ส่วนต่าง ๆ ของนิวรอนมองโดยทั่วไปว่า ทำหน้าที่โดยเฉพาะ ๆ แต่ว่า ทั้งเดนไดรต์และแอกซอนก็มักจะทำอะไรที่ต่างไปจากหน้าที่ "หลัก" ของมัน

ทั้งเดนไดรต์และแอกซอนในระบบประสาทกลาง (CNS) โดยทั่วไปจะหนาประมาณ 1 ไมโครเมตร แต่ในระบบประสาทนอกส่วนกลาง (PNS) จะหนากว่าส่วนตัวเซลล์มีขนาดประมาณ 10-25 ไมโครเมตรและมักจะไม่ใหญ่กว่านิวเคลียสของเซลล์ที่อยู่ในมันมากนักแอกซอนของเซลล์ประสาทสั่งการของมนุษย์ที่ยาวที่สุดอาจจะยาวกว่า 1 เมตร โดยวิ่งจากกระดูกสันหลังไปยังนิ้วเท้าส่วนแอกซอนของเซลล์ประสาทรับความรู้สึกอาจวิ่งจากนิ้วเท้าไปถึง posterior column ของไขสันหลัง ซึ่งยาวกว่า 1.5 เมตรในผู้ใหญ่ส่วนยีราฟอาจมีแอกซอนยาวหลายเมตรวิ่งไปตามคอของมันทั้งหมด

ความรู้เกี่ยวกับหน้าที่ของแอกซอนมาจากการศึกษาแอกซอนยักษ์ของปลาหมึก เพราะศึกษาได้ง่ายที่สุดเพราะมีขนาดยักษ์ (โดยเปรียบเทียบ) คือ หนา 0.5-1 มิลลิเมตร และยาวหลายเซนติเมตรนิวรอนที่พัฒนาเต็มที่แล้วจะอยู่ในสภาวะ postmitotic (G0 phase) อย่างถาวร[7]แต่ว่า งานวิจัยเริ่มต้นตั้งแต่ปี 2545 ก็แสดงว่า นิวรอนสามารถเพิ่มขึ้นทั่วสมองโดยเกิดจากเซลล์ประสาทต้นกำเนิด (neural stem cells) ผ่านกระบวนการกำเนิดเซลล์ (neurogenesis)แม้จะพบเซลล์เช่นนี้ทั่วสมอง แต่ก็ปรากฏมากที่สุดใน subventricular zone และ subgranular zone (ในฮิปโปแคมปัส)[8]

วิทยาเนื้อเยื่อและโครงสร้างภายใน

ก้อนจิ๋ว ๆ จำนวนมากที่เรียกว่า Nissl substance (หรือ Nissl body) จะเห็นได้เมื่อตัวเซลล์ประสาทย้อมด้วยสี (Basophilic dye)โครงสร้างนี้ประกอบด้วยร่างแหเอนโดพลาซึม (endoplasmic reticulum) และไรโบโซมอล อาร์เอ็นเอ (rRNA) ที่สัมพันธ์กันโดยมีชื่อตามจิตแพทย์และนักประสาทพยาธิวิทยา Franz Nissl (พ.ศ. 2403-2462) และมีหน้าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์โปรตีน ความเด่น/มากมายของมันอธิบายได้ว่า เซลล์ประสาทมีระดับเมแทบอลิซึมสูงมาก จึงต้องสร้างโปรตีนมากสีชอบภาวะเบสเช่น aniline หรือ haematoxylin อ่อน ๆ[9]จะเน้นโครงสร้างที่มีขั้วลบ โดยเข้ายึดกับโครงฟอสเฟตของ rRNA

ตัวนิวรอนเองมีโครงโปรตีนสนับสนุนที่เรียกว่า neurofilament ซึ่งรวมตัวกันเป็น neurofibrilนิวรอนบางอย่างยังมีเม็ดสี เช่น neuromelanin ซึ่งเป็นสีออกน้ำตาล-ดำ และเป็นผลพลอยได้ของการสังเคราะห์ catecholamine, และ lipofuscin ซึ่งเป็นสีออกเหลือง-น้ำตาล โดยเม็ดสีทั้งสองจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ตามอายุ[10][11][12]

โปรตีนทางโครงสร้างที่สำคัญต่อหน้าที่ของนิวรอนก็คือ แอกติน และ tubulin ของไมโครทิวบูลแอกติน โดยมากพบที่ปลายแอกซอนและเดนไดรต์เมื่อนิวรอนกำลังพัฒนาขึ้นแต่โครงสร้างภายในของแอกซอนและเดนไดรต์นั้นก็แตกต่างกันแอกซอนโดยทั่วไปจะไม่มีไรโบโซม ยกเว้นในส่วนต้นส่วนเดนไดรต์จะมีร่างแหเอนโดพลาซึมหรือไรโบโซมเป็นเม็ด ๆ โดยมีปริมาณน้อยลงไปเรื่อย ๆ เมื่อห่างออกจากตัวเซลล์