문어의 뉴런은 약 5억 개인데, 그중 2/3 이상이 중앙 뇌가 아닌 8개의 다리에 분포해 있다. 뇌가 큰 방향만 지시하면 각 다리가 세부 동작을 독립적으로 처리하는 분산형 신경 구조를 갖추고 있다.

2009년, 줄무늬문어가 코코넛 껍데기를 들고 다니다가 필요할 때 은신처로 사용하는 모습이 관찰되어, 무척추동물 최초의 도구 사용 사례로 기록되었다. 그 외에도 문어는 퍼즐 풀기, 병뚜껑 열기, 수족관 탈출, 관찰 학습까지 해낸다.

문어는 심장이 셋이다. 두 개의 아가미심장이 두 아가미로 각각 피를 밀어 보내 산소를 싣고, 나머지 한 개의 중앙심장이 산소를 머금은 피를 온몸으로 돌린다. 심장을 셋이나 두는 것은, 산소 운반 효율이 낮은 파란 피의 한계를 여러 펌프로 보완하기 위한 것으로 본다.

문어의 피는 붉지 않고 파랗다. 사람 피는 철 기반 단백질 헤모글로빈이 산소를 날라 붉지만, 문어는 구리 기반 단백질 헤모시아닌이 그 일을 맡는다. 헤모시아닌은 산소와 결합하면 푸른빛을 띠며, 차갑고 산소가 적은 바다에서 산소를 더 효율적으로 나른다.

문어의 중앙심장은 헤엄칠 때 박동을 멈춘다. 온몸으로 피를 돌리는 이 전신심장이 헤엄 동작 중에 멎어버려, 문어는 헤엄을 치면 금세 지친다. 그래서 많은 문어가 먼 거리를 헤엄쳐 가기보다 바다 밑바닥을 슬금슬금 기어 다니는 쪽을 택한다.