O cérebro e os sistemas sensoriais
Estudos recentes ajudaram a dissipar a sabedoria convencional sobre a inteligência dos dinossauros e como eles percebem seu universo. Como a maioria dos tecidos moles, o cérebro, os nervos e o sistema sensorial de um dinossauro não fossilizam. Mas podemos aprender muito sobre eles observando os ossos onde o cérebro, os olhos e os ouvidos estavam alojados e os vários lugares por onde os nervos passavam. O cérebro está localizado dentro de uma caixa de osso que tem aproximadamente o tamanho e a forma do cérebro. A cavidade deixada por este pode então ser usada para fazer uma moldagem. Mas essa técnica é delicada e pode danificar o crânio. As tomografias, por outro lado, podem explorar o crânio em três dimensões usando raios-x e analisar a configuração do cérebro em uma tela de computador.
Ideias erradas

Desde a descrição dos primeiros moldes em 1896 pelo paleontólogo americano Othniel Charles Marsh, acreditava-se que os dinossauros tinham cérebros relativamente pequenos para seu tamanho, o que, na verdade, não é verdade. Nos animais que vivem hoje, o tamanho do cérebro aumenta com o peso, mas em proporções menores. A diferença de volume entre o cérebro de um animal grande e o de um animal menor é pequena se comparada à diferença de tamanho. No entanto, embora pequeno, o cérebro dos dinossauros era proporcionalmente do mesmo tamanho que o dos répteis ou anfíbios atuais. Em alguns pequenos terópodes, esse tamanho era comparável ao das ratites modernas, como o avestruz e a emu. De todos os vertebrados terrestres, o Stegosaurus era o que tinha o cérebro menor em relação ao seu tamanho. Outra antiga crença popular que data do estudo do Stegosaurus de Marsh é que alguns dinossauros tinham cérebros "sobressalentes" localizados no nível da pelve. Marsh notou uma lacuna na pélvis onde poderia haver uma protuberância na medula espinhal. Esse gânglio poderia ter sido usado para transmitir mensagens ou mesmo controlar a parte posterior do animal, liberando o minúsculo cérebro da cabeça para executar outras funções cognitivas. Essa ideia um tanto caprichosa não é mais válida hoje.
Os sentidos
Os olhos, ouvidos e fossas nasais dos dinossauros também foram encontrados dentro de caixas ósseas, cuja observação nos ajuda a entender a natureza desses órgãos. Nos terópodes, os olhos eram geralmente bem desenvolvidos, com um anel ósseo dentro do globo: o anel da esclera. Da mesma forma, a parte do cérebro que controlava a visão foi ampliada, então acredita-se que eles dependiam principalmente dos olhos para localizar a presa. Por sua vez, alguns herbívoros, como ornitópodes e paquicefalossauros, pareciam confiar em seu olfato para detectar predadores à distância. No pequeno ornitópode Leaellynasaura, os olhos enormes e os lobos ópticos no cérebro podem ter ajudado a enxergar no meio da longa noite antártica. Os pequenos terópodes, sem dúvida, tinham um aguçado senso de equilíbrio, pois essa parte do cérebro foi aumentada.
Interpretação de fósseis

Interpretar fósseis de ossos desprovidos de um único pedaço de carne requer um bom raciocínio dedutivo. Isso é especialmente verdadeiro para estruturas como as cavidades nasais de anquilossauros e hadrossauros. Em alguns, como em outros, o crânio apresentava convoluções que permitiam a passagem do ar. O exemplo mais marcante é o do Parasaurolophus, que tinha dutos de ar em toda a extensão da crista que usava em sua cabeça, com mais de 1 m de comprimento. Essas estruturas tubulares que produziam sons retumbantes talvez fossem instrumentos de comunicação. Existem outras teorias segundo as quais esses tubos eram revestidos de células olfativas que davam ao animal um olfato muito aguçado ou que traziam ar quente aos pulmões ou mesmo captavam a umidade do ar exalado, até mesmo mantinham o cérebro frio. É provável que cumprissem várias funções ao mesmo tempo.