肽類早已知道神經元能分泌肽類化學物質，例如視上核和室旁核神經元分泌升壓素（九肽）和催產素（九肽）；下丘腦內其他肽能神經元能分泌多種調節腺垂體活動的多肽，如促甲狀腺釋放激素（TRH，三肽）、促性腺素釋放激素（GnRH，十肽）、生長抑素（GHRIH，十四肽）等。由于這些肽類物質在分泌后，要通過血液循環才能作用于效應細胞，因此稱為神經激素。但現已知，這些肽類物質可能還是神經遞質。例如，室旁核有向腦干和脊髓投射的纖維，具有調節交感和副交感神經活動的作用（其遞質為催產素），并能抑制痛覺（其遞質為升壓素）。在下丘腦以外腦區存在TRH和相應的受體，TRH能直接影響神經元的放電活動，提示TRH可能是神經遞質。
腦內具有嗎啡樣活性的多肽，稱為阿片樣肽。阿片樣肽包括β-內啡肽、腦啡肽和強啡肽三類。腦啡肽是五肽化合物，有甲硫氨酸腦啡肽（M-ENK）和亮氨酸腦啡肽（L-ENK）兩種。腦啡肽與阿片受體常相伴而存在，微電泳啡肽可命名大腦皮層、紋狀體和中腦導水管周圍灰質神經元的放電受到抑制。腦啡肽在脊髓背角膠質區濃度很高，它可能是調節痛覺纖維傳入活動的神經遞質。
腦內還有胃腸肽存在，例如膽囊收縮素（CCK）、促胰液素、胃泌素、胃動素、血管活性腸肽、胰高血糖素等。CCK有抑制攝食行為的作用。許多膽堿能神經元中含有血管活性腸肽，它可能具有加強乙酰膽堿作用的功能。此外，腦內還有其他肽類物質，例如P物質、神經降壓素、血管緊張素Ⅱ等。P物質是十一肽，它可能是第一級感覺神經元（屬于細纖維類）釋放的興奮性遞質，與痛覺傳入活動有關。神經降壓素在邊緣系統中存在。血管緊張素Ⅱ的主要作用可能在于調節單受類纖維的遞質釋放。