Nervová soustava medonosné včely je jedním z nejkomplexnějších a nejvýkonnějších nervových systémů třídy hmyzu – úměrně k velikosti těla překonává kognitivními výkony mnohé obratlovce. Je to žebříčková nervová soustava (ladder nervous system, dvojitý ventrální nervový provazec) s koncentrovanými ganglii. Celkový počet neuronů v mozku dělnice je odhadován na přibližně jeden milion – malé číslo ve srovnání s lidskými 86 miliardami, avšak neuronální hustota a propojitost jsou u včely mimořádně vysoké.
Mozek (supraezofageální ganglion) je uložen v hlavové kapsuli nad jícnem a tvoří ho tři funkčně specializované části. Protokerebrum je největší část obsahující optické laloky (zpracování zrakových informací ze složených očí a ocellů) a centrální komplex (koordinace pohybu, navigace). Nejpozoruhodnější strukturou protokerebra jsou houbyčková tělíska (corpora pedunculata, mushroom bodies) – párové struktury s komplexní architekturou tvoří centrum asociativního učení, paměti, multisenzorické integrace a rozhodování. Deutocerebrum zpracovává informace z tykadel (čichové a mechanosenzorické vstupy z Johnstonova orgánu a chemoreceptorů flagella). Tritocerebrum integruje informace z labia a koordinuje pohyby ústního aparátu.
Houbyčková tělíska jsou u medonosné včely výjimečně velká a složitá v porovnání s ostatním hmyzem – objem těchto struktur v mozku je řádově větší než u kobylek nebo much. Jsou klíčová pro asociativní učení: klasická Pavlovova podmíněná reakce (PER – proboscis extension reflex) je základním výzkumným modelem, jímž se testuje schopnost včel naučit se asociovat vůni s cukrovou odměnou. Takto naučená asociace vydrží dny až celý život dělnice.
Subezofageální ganglion (SEG) se nachází pod jícnem a koordinuje pohyby ústního aparátu (mandibuly, sosák), přijímá informace od chuťových receptorů na tykadlech, proboscisu a tarzích a zprostředkovává základní motivační a krmicí chování. SEG je rovněž modulátorem učení: jeho neurony regulují, zda a jak silná bude paměťová stopa vytvořená v houbyčkových tělíscích.
Ventrální nervový provazec tvoří série gangliíí propojených konnektivy – tři hrudní ganglia (pro prothorax, mesothorax a metathorax) a čtyři zadečková ganglia. Každé ganglion řídí motoriku a senzoriku svého segmentu autonomně; mozek koordinuje celkové chování, ale rutinní pohyby (chůze, let, čistění) mohou probíhat pod kontrolou místních gangliíí bez nutnosti zásahu mozku.
Kognitivní schopnosti medonosné včely jsou předmětem intenzivního vědeckého výzkumu. Prokázané schopnosti zahrnují: asociativní učení (podmíněné reflexy na vůni, barvu, tvar), učení pojmů (výše/níže, stejné/odlišné, symetrie/asymetrie), numerické vnímání (rozlišení malých čísel do 4–5), prostorovou paměť (mentální mapa okolí úlu), přenos naučeného napříč smyslovými modalitami, rozpoznávání obličejů (lidských i včelích), elementární kauzální a deduktivní uvažování a dokonce kulturní přenos – včely se mohou naučit řešení úkolu pozorováním jiné včely. Tyto schopnosti z medonosné včely činí jeden z nejvýznamnějších modelových organizmů pro studium neuronálních základů inteligence a kognitivní vědy.