La parte interna del midollo spinale è costituita da sostanza grigia disposta in modo da formare una struttura ad H (o ad ali di farfalla). La parte trasversale della H costituisce la commensura grigia, percorsa dal sottile canale ependimale che contiene liquido cefalorachidiano, le due braccia della H si dividono in due corna anteriori (o ventrali) e due corna posteriori (o dorsali).

Nelle corna anteriori si trovano i neuroni motori somatici (o motoneuroni) destinati al contollo della muscolatura scheletrica e i neuroni visceroeffettori che controllano la muscolatura liscia dei visceri e delle ghiandole.

Nelle corna posteriori si trovano i neuroni somatosensoriali e i neuroni viscerosensoriali (cellule funicolari), che ricevono informazioni rispettivamente dai sensori periferici per la sensibilità somatica e da quelli per la sensibilità viscerale attraverso le fibre nervose afferenti primarie che entrano nel midollo spinale attraverso le radici posteriori dei nervi spinali.

La forma ad H della sostanza grigia non è costante, lo spessore delle braccia della H è maggiore nella zona cervicale, da cui partono le fibre per l’innervazione degli arti superiori, e in quella lombare da cui si originano i nervi degli arti inferiori.

La sostanza bianca è organizzata in fasci di fibre nervose prevalentemente mieliniche che vengono dette cordoni o funicoli. che mettono in comunicazione i vari distretti del corpo (attraverso i nervi) con il cervello. E’ percorsa da solchi che la suddividono in 6 cordoni: 2 anteriori (compresi tra le corna anteriori e la fessura mediana), 2 posteriori (tra le corna posteriori e il solco posteriore) e due laterali (tra il corno anteriore e posteriore a destra e sinistra).

I cordoni anteriori (ventrali) sono costituiti da fibre motorie (via discendente), i posteriori (dorsali) da fibre sensoriali (via ascendente), i due laterali contengono sia fibre ascendenti (sensoriali) sia fibre discendenti (motorie).

Dal midollo spinale prendono origine 31 paia di nervi spinali, che emergono dal canale vertebrale attraverso i corrispondenti fori intervertebrali. Poichè la colonna vertebrale ha una maggiore lunghezza del midollo spinale, i primi nervi spinali compiono un tragitto pressoché orizzontale per portarsi ai fori, i successivi compiono un tragitto via via più obliquo, finchè gli ultimi sono costretti a scendere verticalmente verso i rispettivi fori, costituendo insieme la cosiddetta coda equina che occupa la parte più bassa del canale midollare.

Ogni nervo spinale presenta due radici: la radice dorsale, che fuoriesce dalle corna posteriori, contiene fibre sensoriali, e la radice ventrale, che fuoriesce dalle corna anteriori e contiene invece fibre motorie. Ogni nervo spinale ha pertanto una componente ascendente (sensoriale) e una discendente (motoria).

Il riflesso rappresenta la reazione più veloce di un organismo ad uno stimolo e consiste in una risposta motoria involontaria immediata ad uno stimolo specifico.

Il percorso nervoso di un singolo riflesso prende il nome di arco riflesso. Un arco riflesso inizia inizia in periferia a livello di un recettore e termina in periferia in un organo effettore, come un muscolo o una cellula ghiandolare.

I riflessi possono essere classificati in base alla risposta motoria: i riflessi somatici controllano la contrazione della muscolatura scheletrica, i riflessi viscerali (autonomi) controllano l’azione della muscolatura liscia e cardiaca e delle ghiandole. 

In base alla complessitùà del circuito distinguamo riflessi monosinaptici, in cui sono coinvolti solo due neuroni collegati attraverso un’unica sinapsi, e riflessi polisinaptici, in cui sono coinvolti più neuroni collegati da due o più sinapsi (da due a diverse centinaia).

I riflessi rappresentano il meccanismo più semplice con cui il sistema nervoso può dare una risposta pronta e adeguata a determinati stimoli: quando un muscolo si allunga (ad es. a seguito di una stimolazione sul tendine) questo tende a contrarsi per via riflessa.