Спинной мозг вместе с головным составляют центральную нервную систему, и граница между ними имеет относительно условный характер, поскольку отростки многих нейронов головного мозга проникают в спинной и наоборот. Границей между этими двумя отделами нервной системы принято считать место перекреста пирамидных пучков нервных волокон. У большинства млекопитающих этот перекрест хорошо виден с вентральной стороны продолговатого мозга.

Строение спинного мозга у различных систематических групп позвоночных сильно варьирует. Разнообразие его внешней формы в первую очередь определяется уровнем функциональной нагрузки на конкретную часть этого органа. У четвероногих животных имеют место выраженные утолщения в шейном и поясничном отделах спинного мозга, куда входят нервы, обеспечивающие иннервацию конечностей. У птиц и некоторых млекопитающих в поясничном отделе спинного мозга имеется увеличенная полость, называемая ромбовидным синусом.

Каудальный конец спинного мозга заканчивается нитевидной суженной частью, длина и форма которой у различных групп позвоночных имеет свои отличия. У костистых рыб такого рода утолщение спинного мозга заканчивается специфическим эндокринным органом – урофизом. У хвостатых амфибий, рептилий и птиц спинной мозг заканчивается сжатой латерально конечной нитью. У бесхвостых амфибий, насекомоядных, рукокрылых и приматов длина конечной нити спинного мозга определяется укороченностью самого спинного мозга в спинномозговом канале.

Характер расположения серого вещества в спинном мозге тоже варьирует. Так, для ланцетника характерно дорсальное расположение тел нейронов. У миног и миксин серое вещество спинного мозга слабо дифференцировано. В остальных группах животных в большинстве случаев серое вещество располагается вокруг центрального канала, образуя рисунок бабочки, характерный для большинства амниот. При этом в сером веществе различают дорсальные (чувствительные) и вентральные (двигательные) рога. У многих амниот между ними имеются боковые рога. Дорсальные рога содержат вставочные нейроны, вентральные – двигательные нейроны, а боковые – висцеро-двигательные нейроны.

Функционально спинной мозг интегрируется с головным мозгом посредством восходящих и нисходящих путей спинного мозга. При этом восходящие локализуются преимущественно в дорсальном отделе спинного мозга, а нисходящие – в вентральном. Восходящие волокна оканчиваются в пяти основных центрах: в мозжечке, моторных центрах заднего и продолговатого мозга, в таламусе и крыше среднего мозга. Основная часть нисходящих волокон спинного мозга начинается в заднем или среднем мозге, а у млекопитающих имеются также волокна, передающие сигналы к эффекторным органам от коры больших полушарий. Последние осуществляют прямой контроль функциональной активности моторных нейронов спинного мозга, управляющих передними и задними конечностями.

У животных имеются также отличия в количестве вставочных нейронов, участвующих в передаче сигналов по нисходящим и восходящим путям. Причем с повышением уровня организации нервной системы количество вставочных нейронов уменьшается. Если у кролика имеется по ходу проводящих путей несколько вставочных нейронов, то у кошачьих только один. Для приматов и человека характерен моносинаптический моторный путь, что повышает скорость проведения сигналов по спинному мозгу и эффективность двигательно-моторных координаций.

Восходящие и нисходящие волокна у высших позвоночных при выходе из спинного мозга объединяются в корешки, а затем в спинномозговые нервы. Последние содержат как чувствительные, так и моторные волокна.

У некоторых позвоночных имеет место объединение спинальных нервов вдоль тела в виде спинальных нервных сплетений, что позволяет максимально эффективно согласовывать автономные периферические реакции, в которых принимают участие два сегмента тела животного (акулы, костные ганоиды). Эти функции у акул выполняет собирательный нерв, который образует небольшое сплетение на уровне анального плавника. Собирательный нерв найден и у некоторых костистых рыб. Однако, он имеется только в передней части тела и не образует сплетения.

Для большинства позвоночных, имеющих конечности, характерны два крупных сплетения – плечевое и поясничное, которые интегрируют работу мускулатуры конечностей. Однако, такой тип объединения спинальных нервов, присущ анамниям, а у амниот имеется еще два типа сплетений – шейное и туловищное. Среди позвоночных встречаются и исключения: так у Сиреновых имеется только одно небольшое плечевое сплетение, а у безногих вообще нет признаков сплетений. По-видимому сплетения у них были утрачены вторично.