Hlavonožci jsou nejinteligentnější bezobratlí živočichové, mají dobré smysly a velký mozek. Nervová soustava hlavonožců je nejsložitější ze všech bezobratlých a poměr hmotnosti jejich mozku k hmotnosti těla se pohybuje mezi poměrem hmotnosti teplokrevných a studenokrevných obratlovců. Obří nervová vlákna pláště hlavonožců jsou již mnoho let oblíbeným experimentálním materiálem; jejich velký průměr usnadňuje jejich studium.
Barva a světlo
Většina hlavonožců má chromatofory, tedy různobarevné buňky, které mohou využívat mnoha překvapivými způsoby. Někteří hlavonožci kromě toho, že splývají s pozadím, také bioluminiskují a svítí směrem dolů, aby skryli svůj stín před případnými útočníky. Bioluminiscenci vytvářejí bakteriální symbionti; hostitelský hlavonožec dokáže světlo těchto živočichů najít. Bioluminiscence může sloužit také k přilákání kořisti a některé druhy používají barevná představení k získání partnerů, ohromení predátorů nebo dokonce k vzájemnému signalizování.
Zbarvení
Zbarvení se může měnit v milisekundách, protože se přizpůsobuje prostředí, a pigmentové buňky se mohou zvětšovat nebo zmenšovat. Rychlá změna zbarvení je obvykle častější u druhů žijících v blízkosti pobřeží než u druhů žijících v otevřeném oceánu. Ti, kteří žijí v otevřeném oceánu, většinou používají kamufláž, aby jejich tělesné obrysy nebyly tak snadno viditelné.
Důkazy o původním zbarvení byly nalezeny ve fosiliích hlavonožců již v siluru; některé druhy s rovnou skořápkou měly kolem krunýře čáry, které pravděpodobně sloužily jako maskování obrysu těla. Devonští hlavonožci nesou složitější barevné vzory, jejichž funkce může být složitější.
Pohyb v okolí
Hlavonožci se obvykle pohybují pomocí tryskového pohonu (vystřikování vody). To spotřebuje na cestování hodně energie ve srovnání s pohonem ocasem, který používají ryby. Tryskový pohon používají proto, že nemají ploutve ani ploutve. Účinnost tryskového pohonu klesá u větších živočichů. To je pravděpodobně důvod, proč mnoho druhů používá k pohybu ploutve nebo paže, pokud je to možné.
Okysličená voda se dostává do plášťové dutiny k žábrám. Stahováním svalů pláště je voda vytlačována ven sifonem, který je tvořen záhybem v plášti. Pohyb hlavonožců je obvykle směrem dozadu, protože voda je vytlačována dopředu, ale sifon může směřovat různými směry. Někteří hlavonožci mohou přizpůsobit tvar svého těla, aby se snadněji pohybovali vodou.
Některé druhy chobotnic jsou schopny se pohybovat i po mořském dně. Chobotnice a sépie se mohou pohybovat na krátké vzdálenosti jakýmkoli směrem pomocí svalových chlopní kolem pláště.
Inkoust
S výjimkou čeledi Nautilidae a druhů chobotnic z podřádu Cirrina mají všichni známí hlavonožci inkoustový váček, který může sloužit k vytlačování tmavého inkoustu, aby zmátl predátory.
