Die Geruchswahrnehmung basiert auf Rezeptorzellen in der Riechschleimhaut der Nase. Diese Zellen tragen eine große Familie G-protein-gekoppelter Rezeptoren. Bindung von Duftstoffen löst eine Signalkaskade aus, die zur Aktivierung von Nervenzellen im Bulbus olfactorius führt; von dort aus gelangt die Information in Rindenareale wie den primären olfaktorischen Kortex. Geruch befindet sich häufig als Duftkomponente in komplexen Mustern, deren Wahrnehmung stark kontextabhängig ist und mit Gedächtnis verknüpft wird.
Die Gustation erfolgt in Geschmacksknospen, die sich auf Zunge, Gaumen und Mundschleimhaut verteilen. Verschiedene Geschmacksqualitäten werden durch unterschiedliche Transduktionswege erzeugt: süß, umami und bitter überwiegend über G-proteingekoppelte Rezeptorlinien (T1R- und T2R-Familien); salzig und sauer über andere Mechanismen wie epithelialen Natriumkanäle oder protonenempfindliche Signale. Signale aus den Geschmacksknospen gelangen über Geschmacksnerven zum Hirnstamm (Nucleus tractus solitarius) und erreichen schließlich den Thalamus sowie den gustatorischen Cortex.
Chemästhesie wird überwiegend über den Trigeminus vermittelt und umfasst Reizempfindungen wie Schärfe, Kälte oder Brennen, die durch Aktivierung von Ionkanälen wie TRPV1, TRPA1 und ähnlichen Sensoren entstehen. Diese chemischen Reize ergänzen Geruch und Geschmack, indem sie physikalische Eigenschaften wie Irritation, Temperatur oder pH anzeigen.
Bei vielen Tierarten unterscheiden sich Aufbau und Funktion der chemosensorischen Systeme. Der Vomeronasalorgan (VNO) spielt bei einigen Arten eine Rolle in der Pheromonenwahrnehmung; beim Menschen ist seine Funktion umstritten oder reduziert. Insgesamt bilden Olfaktion, Gustation und Chemästhesie zusammen ein eng vernetztes System, das Nahrungsaufnahme, Umweltwahrnehmung, Kommunikation und Sozialverhalten beeinflusst.