Перша сигнальна система вищих тварин забезпечує досить довершене відображення зовнішнього світу і в зв'язки з цим гонкое і точне пристосування їх до середи. І. П. Павлов розглядав першу сигнальну систему як систему сприйняття, вражень від всіх впливів зовнішнього і внутрішнього світу, що сигналізують про біологічно корисних або шкідливих для організму подразниках. Він писав: «Для тварини дійсність сигналізується майже виключно тільки подразненнями і слідами їх у великих півкулях, що безпосередньо приходять спеціальні клітки зорових, слухових і інших рецепторов організму. Це те, що ми маємо в собі як враження, відчуття і уявлення від навколишнього зовнішнього середовища, як общеприродной так і нашої соціальної, виключаючи слово, чутне і видиме. Це перша сигнальна система дійсності, загальна у нас з тваринами».

Сигнали першої сигнальної системи є конкретними і відносяться до певного предмета.

Утворення умовних рефлексів через першу сигнальну систему складає у вищих тварин фізіологічну основу їх елементарного конкретного, або предметного, мислення. Перша сигнальна система - однакова у людини і тварин. У умовах звичайного життя у людини вона ізольовано функціонує тільки в перші шість місяців життя.

При вихованні людини розвивається друга сигнальна система, характерна тільки для людини. Це переводить вищу нервову діяльність людини на більш високий рівень. Вона придбаває нові якості, що зумовлюють розширення можливостей спілкування із зовнішнім світом і багатогранність його виявів. І. П. Павлов назвав другу сигнальну систему «надзвичайною надбавкою» до механізмів вищої нервової діяльності людини. Друга сигнальна система - це мова, слово, видиме, чутне, вимовне в думках. Це вища система сигналізації навколишнього світу. Вона складається в словесному позначенні всіх його сигналів і в мовному спілкуванні. Друга сигнальна система розвинулася у людини під впливом соціальної середи в процесі труда. Велику роль в цьому зіграли кинестезические роздратування мозку, виникаючі внаслідок трудових процесів. Слово для людини служить таким же фізіологічним подразником, як предмети і явища навколишнього світу.

Словесні сигнали узагальнюють подразники першої сигнальної системи. Одне і те ж слово «стіл» сигналізує не тільки про певний стіл, але і про багатьох інших столів, різні по величині, формі, кольору і інш. У цьому факті виражене не тільки узагальнення, але і відвернення від конкретних предметів дійсності, т. е. перехід людини від предметного мислення до абстрактного. Для того щоб слово «стіл» вказувало на конкретний стіл, необхідне уточнення-«цей стіл». У межах другої сигнальної системи узагальнюються подразники не тільки першої, але і самої другої сигнальної системи. Наприклад, слово вузького значення «осика» узагальнює конкретні подразники першої сигнальної системи, а слово більш широкого значення «дерево» - подразники другої сигнальної системи.

Таким чином, друга сигнальна система є всеосяжною, здатною замінити, абстрагувати і узагальнити всі подразники першої сигнальної системи. Завдяки всьому попередньому життю дорослої людини слово пов'язане з всіма зовнішніми і внутрішніми подразненнями, що приходять в нервову систему, про всіх них сигналізує і все їх замінює, викликаючи такі ж дії, як вони.

Інше виключно важливе значення другої сигнальної системи полягає в тому, що вона різко збільшує обсяг інформації - за рахунок використання не тільки індивідуального, але і колективного досвіду всього людства. Словесна інформація, що Отримується людиною від інших осіб - усна і особливо письмова - має надзвичайно широкий діапазон (це може бути інформація не тільки від нині мешкаючих осіб, але і від багатьох попередніх поколінь). Так, вдосконалення спортсмена лише частково відбувається за рахунок особистого його досвіду, через словесну інформацію він широко використовує досвід свого тренера і величезного числа інших осіб, викладений в методичних посібниках, підручниках, статтях і т. д.

Перша і друга сигнальні системи функціонально взаємопов'язані. Сигнали першої сигнальної системи, що поступають з різних частин тіла і навколишнього середовища, безперервно взаємодіють з сигналами другої сигнальної системи. При цьому утворяться умовні рефлекси другого і вищих порядків, функціонально зв'язуючі сигнальні системи в єдине ціле. Крім того, зв'язок між двома сигнальними системами, заснований на елективной (виборчої) иррадиації збудження, дозволяє відтворювати через другу сигнальну систему умовні рефлекси, вироблені на основі першої сигнальної системи (А. Г. Иванов-Смоленский).

Друга сигнальна система складає фізіологічну основу абстрактного мовного мислення, властивого тільки людині. Афферентние сигнали, що поступають в центральну нервову систему від мовних органів, через слуховий і зоровий аналізатори, формують у людини складні рефлекси, що зумовлюють звукову і письмову мову.

Локалізація функцій другої сигнальної системи в корі головного мозку з'ясована ще не повністю. У її здійсненні беруть участь структури правої і лівої півкуль. Домінуюча роль при цьому у більшості людей (правшей) належить лівій півкулі. Порівняно обширні його дільниці здійснюють складні функції, пов'язані з розумінням значення слів, координацією речедвигательного апарату при їх вимовленні і іншими процесами.