Smješten neposredno ispod velikog mozga, limbički sustav je niz struktura u mozgu koje obavljaju nekoliko zadataka povezanih s pamćenjem i emocijama. Veza između limbičkog sustava i emocija tako je dobro formirana da neki istraživači taj sustav nazivaju “emocionalnim mozgom”. S evolucijskog stajališta, ovaj sustav je prilično star, a prisutan je čak i u mozgu nižih sisavaca, zbog čega je poznat i kao mozak paleomamalija.
U ovom sustavu prisutno je nekoliko struktura, uključujući amigdalu, hipokampus, hipotalamus, forniks i septum. Obližnji limbički režanj također je bitna komponenta koja povezuje limbički sustav i emocije. Neke od drugih ovdje spomenutih struktura također igraju ulogu u emocionalnoj regulaciji.
Niti jedna pojedinačna struktura nije potpuni jedan na jedan uzročni čimbenik između limbičkog sustava i emocija. Te strukture pomažu u regulaciji određenih emocionalnih stanja, ali ne izazivaju u potpunosti emociju. Specifične strukture, međutim, pomažu u reguliranju određenih skupova emocionalnog ponašanja.
Amigdala je jedna struktura bitna za pomoć pri formiranju emocionalnih sjećanja. Aktivacija amigdale od prijetećeg podražaja uzrokuje da ova struktura radi s hipokampusom kako bi je zapamtila. Kada se isti podražaj ponovno susreće, ova struktura izaziva reakciju straha. Čini se da je također uključen u ljutnju, naklonost i seksualne reakcije. Životinje bez amigdale neće pokazivati majčinske instinkte ili znakove bijesa, niti će reagirati na prijeteće ili seksualno uzbuđujuće podražaje.
Određena područja talamusa i hipotalamusa pomažu u izražavanju emocija, ali ih ne stvaraju. Čini se da prednje jezgre talamusa utječu na to kako pojedinci reagiraju na emocionalne podražaje. Na stranama ili bočnim područjima hipotalamusa nalaze se jezgre uključene u izražavanje zadovoljstva i ljutnje. Nezadovoljstvo i odbojnost prema podražajima posredovani su središtem, odnosno medijalnim područjem.
Korteks također pomaže u spajanju limbičkog sustava i emocija. Jedna komponenta limbičkog korteksa, cingulatni girus, pomaže u kontroli krvnog tlaka i otkucaja srca. Također izaziva emocionalnu reakciju na bol. Osim toga, može igrati ulogu u izražavanju bijesa. Divlje životinje kojima je izvađeno ovo područje mozga ne pokazuju agresiju.
Takozvani “centri užitka” u ventralnom tegmentalnom području pokazuju još jednu vezu između limbičkog sustava i emocija. Aktivnost u tim stanicama uzrokuje da otpuštaju kemijski dopamin. Dopamin može izazvati ugodne osjećaje koji se kreću od blagog osjećaja nagrađivanja do snažnih osjećaja koji nalikuju seksualnom zadovoljstvu.