O sistema nervoso parassimpático modula principalmente órgãos viscerais, como as glândulas. As respostas nunca são ativadas em massa como na resposta simpática de luta ou fuga. Embora proporcionando controle importante de muitos tecidos, o sistema parassimpático, diferentemente do sistema simpático, não é crucial para a manutenção da vida.
O sistema nervoso parassimpático é organizado de maneira semelhante ao sistema nervoso simpático. Seu componente motor consiste em neurônios pré-ganglionares e pós-ganglionares. Os neurônios pré-ganglionares estão localizados em grupos celulares específicos (também chamados de núcleos) no tronco encefálico ou nos cornos laterais da medula espinhal em níveis sacrais (segmentos S2-S4). (Como as fibras parassimpáticas saem desses dois locais, o sistema é às vezes chamado de fluxo craniossacral.) Os axônios pré-ganglionares emergem do tronco encefálico para os gânglios parassimpáticos localizados na cabeça (ciliar, pterigopalatino [também chamado esfenopalatino] e ótico). gânglios), ou próximo ao coração (gânglios cardíacos), embutidos no próprio órgão final (por exemplo, a traqueia, os brônquios e o trato gastrointestinal), ou situados a uma curta distância da bexiga (gânglio pélvico). Os neurônios pré e pós-ganglionares secretam acetilcolina como neurotransmissor, mas, como as células ganglionares simpáticas, também contêm outros agentes químicos neuroativos que funcionam como co-transmissores.
O terceiro nervo craniano (nervo oculomotor) contém fibras nervosas parassimpáticas que regulam a íris e o cristalino do olho. Desde sua origem no núcleo Edinger-Westphal do mesencéfalo, os axônios pré-ganglionares viajam para a órbita e fazem sinapses no gânglio ciliar. O gânglio ciliar contém dois tipos de neurônios pós-ganglionares: um inerva o músculo liso da íris e é responsável pela constrição pupilar, enquanto o outro inerva o músculo ciliar e controla a curvatura do cristalino.
Várias glândulas secretoras localizadas na cabeça estão sob controle parassimpático. Estes incluem a glândula lacrimal, que fornece lágrimas à córnea do olho; glândulas salivares (sublingual, submandibular e glândula parótida), que produzem saliva; e glândulas mucosas nasais, que secretam muco ao longo das passagens aéreas nasais. Os neurônios pré-ganglionares parassimpáticos que regulam essas funções se originam da formação reticular da medula oblonga. Um grupo de neurônios pré-ganglionares parassimpáticos pertence ao núcleo salivatório superior e encontra-se na parte rostral da formação reticular medular. Esses neurônios enviam axônios para fora da medula em um ramo separado do sétimo nervo craniano (nervo facial) chamado nervo intermediário. Alguns dos axônios inervam o gânglio pterigopalatino, e outros se projetam para o gânglio submandibular. As células ganglionares pterigopalatinas inervam a vasculatura do cérebro e dos olhos, assim como a glândula lacrimal, as glândulas nasais e as glândulas palatinas, enquanto os neurônios do gânglio submandibular inervam as glândulas salivares submandibulares e sublinguais. Um segundo grupo de neurônios pré-ganglionares parassimpáticos pertence ao núcleo salivatório inferior, localizado na parte caudal da formação reticular medular. Neurônios desse grupo enviam axônios para fora da medula no nono nervo craniano (glossofaríngeo) e para o gânglio ótico. Deste local, as fibras pós-ganglionares viajam e inervam a glândula parótida salivar.
As fibras parassimpáticas pré-ganglionares do 10º nervo craniano surgem de dois locais diferentes na medula oblonga. Os neurônios que diminuem a frequência cardíaca surgem de uma parte da medula ventral chamada núcleo ambíguo, enquanto aqueles que controlam as funções do trato gastrointestinal surgem do núcleo dorsal do vago. Depois de sair da medula no nervo vago e viajar para seus respectivos órgãos, as fibras fazem sinapse em células ganglionares embutidas nos próprios órgãos. O nervo vago também contém fibras aferentes viscerais que transportam informações sensoriais de órgãos do pescoço (laringe, faringe e traqueia), tórax (coração e pulmões) e trato gastrointestinal em um núcleo sensorial visceral localizado na medula chamada núcleo do trato solitário.