Du point de vue physiologique, les sens sont les organes de la perception. Les sens et leur fonctionnement, leur classification, et la théorie épistémologique qui soutient leur étude sont des sujets abordés par plusieurs disciplines, principalement les neurosciences, mais aussi la psychologie cognitive (ou science cognitive), et toutes les philosophies ayant trait à la perception.
La définition la plus largement admise est celle qui fait des sens un système de récepteurs, ou cellules sensitives, capable de capter et de traduire plusieurs formes d'énergie (stimuli) et de les transmettre au système nerveux central sous forme d'influx nerveux. Ces influx nerveux, les sensations proprement dites, sont alors interprétés par l'encéphale, ou son équivalent chez les espèces qui en sont dépourvues, pour en permettre la perception. L'influx nerveux est ensuite codé sous forme de potentiels d'actions et l'information transmise à des régions spécialisées du cerveau. Selon le type de stimulation, les centres de traitement du cerveau diffèrent. Il existe en effet une zone spécialisée dans le traitement des stimuli olfactifs, visuels, tactils, etc.
Il n'y a pas d'accord véritable des neurophysiologistes sur le nombre exact de sens chez l'humain et les autres animaux. La multiplicité des rapports entre le monde sensible et le monde intelligible laisse augurer des difficultés rencontrées dans la recherche d'une définition précise. Une définition largement répandue et réductrice sous-entend le monde sensible comme restreint à cinq sens : goût, odorat, audition, vision et toucher. Mais il est admis que la perception sensorielle des animaux est en fait plus vaste. Pour les mammifères, dont l'homme, on peut citer le sens de l'équilibre perçu au moyen des trois canaux semi-circulaires de l'oreille interne, le sens de la proprioception qui nous signale la position relative des membres de notre corps et qui nous permet par exemple (même aveugle ou simplement les yeux fermés) d'amener notre index sur le bout du nez. Ces sens et d'autres ne rentrent pas dans les cinq sens couramment connus. Les pigeons ou les dauphins sont capables de percevoir les lignes de champs magnétique terrestres ou ses variations.
Mais le terme de sens peut revêtir deux aspects bien différents suivant que l’on soit en présence d'une communication immédiate (donc instinctive) ou médiate (donc rationnelle, scientifique). Malebranche rattachait le monde réel à la raison et le monde sensible à un monde illusoire et trompeur. En fait, les sens ne sont pas uniquement des transducteurs permettant la mesure de paramètres. Toute vision réductionniste assimilant la perception à une configuration cérébrale semble donc illusoire. Les sens sont les instruments de la perception, c'est-à-dire le lien qui relie l'organisme au monde extérieur et qui lui permet de reconnaître, grâce à l'interprétation donnée par la pensée et la connaissance, les informations qui, parmi l'ensemble de celles lui parvenant, pourraient lui être utiles.
Tous les animaux présentent des récepteurs sensoriels leur permettant de percevoir le monde autour d'eux, incluant plusieurs de ceux précités, valables pour l'homme. Cependant les mécanismes et capacités peuvent varier.
Par exemple, les chiens ont un sens de l'odorat plus fin que celui de l'homme, bien que le mécanisme mis en jeu soit le même. Les mites ont des récepteurs olfactifs sur leurs antennes, et des récepteurs aux vibrations sonores sur leurs ailes. Les cténophores ont un récepteur de l'équilibre (un statocyte) qui fonctionne très différemment des canaux semi-circulaires mammaliens.