海豚的脑部非常发达，不但大而且重。海豚大脑半球上的脑沟纵横交错，形成复杂的皱褶,大脑皮质每单位体积的细胞和神经细胞的数目非常多，神经的分布也相当复杂。例如，大西洋瓶鼻海豚的体重250千克，而脑部就占了约1.5千克，脑重和体重的比值约为0.6％，这个值虽然远低于人类的1.93％，但却超过大猩猩或猴类等灵长类。
至于海豚大脑半球上由脑沟所形成的皱褶，根据研究显示，大西洋瓶鼻海豚的皱褶甚至比人类还多，而且更为复杂，它们的大脑皮质表面积为3745平方厘米，是人类的1.5倍。海豚脑部神经细胞的数目，比人类还要多。
因为拥有聪明的大脑和准确的回音定位，海豚能在光线黑暗、地质情况复杂的海洋自由游动。蒙住海豚的眼睛，它们仍能在迷宫中避开障碍物，自由自在地游来游去。科学家做了一个试验，在一张网上做两个门，轮流开关，关着的门用透明的塑料板挡起来，看上去好象开着的一样，让海豚进入网中，它从来也不会走错门。如果在水中放了两条鱼，一条用玻璃板隔开来，结果，每次海豚都抓到了水中的鱼，而绝不会碰在玻璃板上。
海豚学习本领快，猴子需要几百次才能学会的本领，海豚只需要20次就可以掌握了。实验研究表明，海豚与人的交流主要通过姿势语言，它们能很好领悟训练者姿势的语义。海豚能形成对物体的一般概念，例如，对圆形、八角形或方形的铁圈。海豚的学习态度比许多小孩强。它们答对题时，会兴奋地叫着游向训练者；当答错时，便明显露出垂头丧气之态。海豚也会耍小花招，有人曾训练一头海豚去攻击鲨鱼，它只向没有危险的与角鲨相像的生物进攻，见到最危险的鬣狗鲨却逃之夭夭。海豚能够躲避它的天敌，足见它有多聪明了。
