神经系统对胃肠功能的调节较为复杂，它通过外来的植物性神经和胃肠内在的神经两个系统相互协调统一而完成的。
所谓外来神经是指支配胃肠的自主神经，包括交感神经和副交感神经。交感神经从脊髓胸腰段侧角发出，经过腹腔神经节、肠系膜神经节或腹下神经节，更换神经元后，节后纤维分布到胃、小肠及结肠等部分的胃肠平滑肌、血管平滑肌及内在神经元上。其节后纤维末梢释放的递质为去甲肾上腺素。一般情况下，交感神经兴奋时可抑制胃肠平滑肌的活动和腺体的分泌。部分交感肾上腺素能纤维终止于内在神经元上；通过释放去甲肾上腺素作用于内在神经元，并引起后者的抑制。因而，由交感神经发放的冲动，也可抑制由内在神经丛或迷走神经传递的反射活动。
副交感神经通过迷走神经和盆神经支配胃肠。到达胃肠的纤维属于节前纤维，它们与内在神经元发生突触联系。其节后纤维支配腺细胞、上皮细胞和平滑肌细胞。内在神经丛的多数副交感纤维是兴奋性胆碱能纤维，少数是抑制性纤维；而在这些抑制性纤维中，多数既不是胆碱能，也不是肾上腺素能纤维，它们的末梢释放的递质可能是肽类物质，因而被称为肽能神经。如血管活性肠肽（VIP）、P物质、脑啡肽和生长抑素等。目前认为，胃的容受性舒张、机械刺激引起的小肠充血等，均为神经兴奋释放VIP所致，VIP能神经的作用主要是舒张平滑肌、舒张血管和加强小肠、胰腺的分泌活动。胃肠道也存在许多以VIP为递质的内在神经元，也参与上述功能的调节（详见下文）。另外，迷走神经中约有75%的神经纤维为传入纤维，可将胃肠感受器信息传给高位中枢，引起反射调节活动，如迷走-迷走反射。
胃肠的内在神经系统又称为肠神经系统（enteric nervous sytem）由存在于食管至肛门的消化道壁内的两类神经丛组成。一种是位于胃肠壁黏膜下层的黏膜下神经丛（submucosal plexus或称为Meissner神经丛）。另一种是位于环行肌与纵行肌层之间的肌间神经丛（myenteric plexus或称Auerbach神经丛）。每个神经丛都包含无数的神经元和神经纤维，据估计，内在神经中约有108个神经元，包括感觉神经元、中间神经元和运动神经元。 运动神经元释放乙酰胆碱（Ach）和血管活性肠肽（VIP），主要调节腺细胞和上皮细胞功能，也支配黏膜下血管。肌间神经丛中有以Ach和P物质（SP）为递质的兴奋性神经元，也有以VIP和一氧化氮（NO）为递质的抑制性神经元。肌间神经丛的运动神经元主要支配平滑肌细胞。
内在神经丛的神经纤维（包括进入消化管壁的交感和副交感纤维）则把胃肠壁的各种感受器及效应细胞与神经元互相连接，起着传递感觉信息、调节运动神经元的活动和启动、维持或抑制效应系统的作用。目前认为，消化管壁内的内在神经丛构成了一个完整的、相对独立的整合系统，在胃肠活动的调节中具有十分重要的作用。