Limbiline süsteem, mis asub aju all, on aju struktuuride seeria, mis täidab mitmeid mälu ja emotsioonidega seotud ülesandeid. Seos limbilise süsteemi ja emotsioonide vahel on nii hästi välja kujunenud, et mõned teadlased nimetavad seda süsteemi “emotsionaalseks ajuks”. Evolutsioonilisest vaatenurgast on see süsteem üsna vana ja esineb isegi madalamate imetajate ajus, mistõttu on see tuntud ka kui paleomammali aju.
Selles süsteemis on mitu struktuuri, sealhulgas amügdala, hipokampus, hüpotalamus, fornix ja vahesein. Lähedal asuv limbilise laba on samuti oluline komponent, mis ühendab limbilist süsteemi ja emotsioone. Mõned teised siin mainitud struktuurid mängivad rolli ka emotsionaalses reguleerimises.
Ükski struktuur ei ole täielik üks ühele põhjuslik tegur limbilise süsteemi ja emotsioonide vahel. Need struktuurid aitavad reguleerida teatud emotsionaalseid seisundeid, kuid nad ei tekita emotsiooni täielikult. Spetsiifilised struktuurid aitavad siiski reguleerida teatud emotsionaalse käitumise komplekte.
Amygdala on üks struktuur, mis on oluline emotsionaalsete mälestuste tekkeks. Amygdala aktiveerimine ähvardava stiimuli tõttu paneb selle struktuuri hipokampusega tööle, et seda meeles pidada. Kui sama stiimuli uuesti kokku puututakse, põhjustab see struktuur hirmureaktsiooni. Tundub, et see on seotud ka viha, kiindumuse ja seksuaalsete reaktsioonidega. Loomad, kellel puudub mandelkeha, ei ilmuta emainstinkte ega raevu märke ega reageeri ähvardavatele või seksuaalselt erutavatele stiimulitele.
Talamuse ja hüpotalamuse teatud piirkonnad aitavad emotsioone väljendada, kuid ei tekita neid. Tundub, et eesmised talamuse tuumad mõjutavad seda, kuidas inimesed emotsionaalsetele stiimulitele reageerivad. Hüpotalamuse külgedel ehk külgmistel aladel on tuumad, mis on seotud naudingu ja viha väljendamisega. Pahameelsust ja vastumeelsust stiimulite suhtes vahendab keskus ehk mediaalne piirkond.
Ajukoor aitab ka liituda limbilise süsteemi ja emotsioonidega. Limbilise ajukoore üks komponent, tsingulate gyrus, aitab kontrollida vererõhku ja pulssi. See põhjustab ka emotsionaalset reaktsiooni valule. Lisaks võib see mängida rolli raevu väljendamisel. Metsloomad, kellel on see ajupiirkond välja võetud, ei näita agressiivsust.
Nn naudingukeskused ventraalses tegmentaalses piirkonnas näitavad teist seost limbilise süsteemi ja emotsioonide vahel. Nende rakkude aktiivsus põhjustab keemilise dopamiini vabanemise. Dopamiin võib tekitada meeldivaid tundeid, mis ulatuvad kergest rahuldust pakkuvast aistingust kuni tugevate tundeteni, mis meenutavad seksuaalset rahuldust.