Τα χταπόδια έχουν τη δυνατότητα να λύνουν παζλ, να μαθαίνουν μέσω της παρατήρησης, ακόμη και να χρησιμοποιούν εργαλεία – όπως και οι άνθρωποι.
Η ακριβής έκταση της νοημοσύνης και της ικανότητάς τους να μαθαίνουν αποτελεί θέμα συζήτησης μεταξύ των βιολόγων.
Πειράματα έχουν δώσει στοιχεία ύπαρξης ενός συστήματος μνήμης, το οποίο μπορεί να αποθηκεύει μνήμες μικρής αλλά και μεγάλης διάρκειας. Έχουν εξαιρετικό πολύπλοκο νευρικό σύστημα, από το οποίο μόνο ένα μέρος του εντοπίζεται στον εγκέφαλο. Τα 2/3 των νευρώνων ενός χταποδιού βρίσκονται στα νεύρα των πλοκαμιών του, τα οποία έχουν περιορισμένη λειτουργική αυτονομία.
