Le cerveau du chien figure parmi les plus performants du règne animal

Le cerveau du chien figure parmi les plus performants du règne animal, démontrant de très bonnes capacités cognitives avec des sens très développés. Il semblerait que la domestication et la selection n'aient pas seulement changé l'apparence des chiens, mais la structure même de leur cerveau17.

Le sens de l'odorat est un sens extrêmement développé chez le chien. La taille de ses cavités nasales est environ trente fois plus grande que chez l'homme18 et la surface de la muqueuse olfactive, qui varie beaucoup en fonction de la race, est de huit à vingt fois supérieure à celle de l'homme19 (85 à 200 cm2 contre 10 cm2). Possédant dix fois plus de cellules olfactives20 et quarante fois plus de neurones consacrés à l'odorat qu'un homme19, un chien distingue plus de 500 000 molécules odorantes21. À noter que ce sens est discriminant (le chien est capable de déceler et de suivre une odeur précise parmi une multitude d'autres odeurs, même si celle-ci est en proportion infime), capacité largement utilisée par l'homme pour les recherches de drogues, explosifs, personnes disparues, chasse, etc.
L'ouïe est aussi un sens très précis : le chien peut entendre des sons jusqu'à quatre fois plus loin que l'homme et capte également des sons inaudibles pour l'homme (ultrasons). En effet, la plage de fréquences que perçoivent les chiens s'étend de 40 Hz à 60 000 Hz (contre 20 Hz à 20 000 Hz pour l'homme). De plus, les oreilles du chien peuvent s'orienter vers une source sonore en pivotant grâce à de nombreux muscles, ce qui leur permet une grande précision dans la localisation sonore.
La vision du chien est plutôt modeste comparée à ses deux premiers sens. Toutefois, la gamme de couleurs qu'il perçoit, même si elle n'est pas aussi importante que chez l'homme, est tout de même assez ample. Le chien perçoit facilement les objets en mouvement mais il a du mal à faire le point sur des objets immobiles ainsi que sur les distances et sur les détails. Cependant, le champ de vision du chien est plus vaste (environ 250 degrés) que chez l'homme (180 degrés maximum) avec une vision périphérique dix fois plus sensible. Le chien a également une vision optimisée dans le noir, possédant une surface réfléchissante derrière la rétine (le tapetum lucidum), qui renvoie la lumière et donne un effet d'yeux brillants dans l'obscurité.