O funcionamento do sistema olfativo, no que se refere à percepção e identificação de odores, ainda não foi totalmente desvendado. Entretanto, muitas informações já foram obtidas e algumas teorias formuladas.

Os odores são detectados no nariz por células receptoras especializadas do epitélio olfativo. Estas células são denominadas neurônios receptores olfativos.

No topo de cada narina encontra-se uma região denominada mucosa nasal. Esta região contém o epitélio sensorial - ou o epitélio olfativo - coberto pela mucosa. A área desta região olfativa é de 5cm² nos humanos e 25cm² nos felinos. O epitélio contém, além das células sensitivas, glândulas de Bowman que produzem a secreção que banha a superfície dos receptores. Esta secreção aquosa contém mucopolisacarídios, imunoglobulinas, proteínas (exemplo, lisozima), e várias enzimas (como as peptidases). Também é encontrado na mucosa nasal um tipo de pigmento das células epiteliais: o tom deste pigmento é correlacionado com a sensibilidade olfativa, sendo levemente amarelado nos humanos e amarelo escuro ou marrom nos cachorros. O pigmento pode participar do processo de olfação, talvez absorvendo algum tipo de radiação, como a infravermelha. Por último, o epitélio nasal contém as células receptoras - cerca de 10 milhões nos humanos (mais que em ratos e gatos). Estas possuem um prolongamento terminal que se projeta acima da superfície epitelial, de onde estendem-se cerca de 8 ou 20 cílios olfativos. Estes cílios não pulsam, mas contém os receptores de odores.

As células receptoras são neurônios bipolares do epitélio nasal. Elas são únicas, na medita em que são capazes de se regenerar. Possuem cílios que se projetam na mucosa nasal e, na outra extremidade, axônios que se projetam no bulbo olfativo. De 10 a 100 axônios arranjam-se em embrulhos que penetram no platô etimoidal cribriforme e terminam no bulbo olfativo, convergindo no glomérulo sináptico. Existem dois bulbos ofltativos, um em cada cavidade nasal. Nos humanos, existem 6 milhões de células em cada narina.

As células mitrais são os principais neurônios do bulbo olfativo. Existem cerca de 50 mil destas células em cada bulbo nos humanos adultos. Elas possuem um dendrito apical primário que se estende até um novelo esférico denominado glomérulo, que recebe o sinal dos neurônios receptores olfativos. Seus axônios unem-se para formar o trato olfativo lateral. Possuem colaterais, envolvidos no retorno negativo e na alimentação positiva de impulso sensitivo.

Os glomérulos são novelos aproximadamente esféricos de dendritos - cerca de 25 células mitrais enviam seus dendritos primários para um único glomérulo - e ali fazem contato com os nervos olfativos. As células perigranulares estão envolvidas na inibição lateral ao nível dos glomérulos. Células granulares são inibidoras interneurais. Recebem tanto os sinais contrários como os laterais. O trato lateral olfativo terminam nas áreas pireiformes e pré-pireiformes de onde a projeção primária vai ao tálamo cerebral. Os axônios projetam-se para o neocórtex. Além disso, existe um caminho que vai ao hipotálamo que está envolvido com o humor (e a memória) e com a regulagem neuroendócrina. Este último processo é responsável pelo componente do odor conhecido como "afetivo".

Os neurônios do trato olfativo lateral projetam-se para (1) a amídala, núcleo septal, córtex pré-pireiforme, córtex endorinal, hipocampo e subcólon. Muitas destas estruturas formam o sistema límbico, uma região ancestral do cérebro responsável pela motivação, emoção e certos tipos de memória. O núcleo septal e a amídala contém regiões conhecidas como "centros de prazer". O hipocampo é responsável pela memória motivacional (a associação de certos estímulos com os alimentos). (2) As projeções são também enviadas ao tálamo e para o córtex frontal de reconhecimento. Existem muitas conexões transmitindo sinais entre cada um destes e outros centros cerebrais.

Alucinações olfativas acompanhadas de sentimentos de deja vu ocorrem como pequenos distúrbios no lobo temporal, e algumas vezes ocorre uma intensificação generalizada do odor. O córtex pireifome, parte filogenética do "cérebro que cheira" (ou rinencéfalo), é funcionalmente associado com o sistema límbico como um todo (que inclui áreas do cérebro como o hipocampo e o hipotálamo), que é grandemente reconhecido por ser crucial na determinação e regulação de todo o campo emocional humano. A excitação destas áreas, qualquer que sejam os métodos, provoca elevação emocional e uma intensificação de todos os sentidos físicos.