Hlavonožce sú najinteligentnejšie bezstavovce, majú dobré zmysly a veľký mozog. Nervová sústava hlavonožcov je najzložitejšia spomedzi bezstavovcov a pomer ich mozgu k telesnej hmotnosti sa pohybuje medzi pomerom teplokrvných a studenokrvných stavovcov. Obrovské nervové vlákna plášťa hlavonožcov sú už mnoho rokov obľúbeným experimentálnym materiálom; ich veľký priemer uľahčuje ich štúdium.
Farba a svetlo
Väčšina hlavonožcov má chromatofory - teda bunky s rôznymi farbami - ktoré môžu využívať mnohými prekvapivými spôsobmi. Niektoré hlavonožce okrem toho, že splývajú s pozadím, aj bioluminiscenčne svietia, aby skryli svoj tieň pred prípadnými útočníkmi. Bioluminiscenciu vytvárajú bakteriálni symbionti; hostiteľský hlavonožec dokáže nájsť svetlo, ktoré tieto živočíchy vydávajú. Bioluminiscencia sa môže používať aj na prilákanie koristi a niektoré druhy používajú farebné predstavenia na získanie partnerov, ohromenie predátorov alebo dokonca na vzájomné signalizovanie.
Sfarbenie
Sfarbenie sa môže meniť v priebehu milisekúnd, keď sa prispôsobujú prostrediu, a pigmentové bunky sa môžu zväčšovať alebo zmenšovať. Rýchla zmena sfarbenia je zvyčajne bežnejšia u pobrežných druhov ako u druhov žijúcich v otvorenom oceáne. Tie, ktoré žijú v otvorenom oceáne, väčšinou používajú kamufláž, aby ich telesné obrysy neboli tak ľahko viditeľné.
Dôkazy o pôvodnom sfarbení sa našli vo fosíliách hlavonožcov už v silúre; niektoré druhy s rovnou schránkou mali okolo schránky čiary, ktoré pravdepodobne slúžili na maskovanie obrysov ich tela. Devónske hlavonožce majú zložitejšie farebné vzory, ktorých funkcia môže byť zložitejšia.
Pohyb v okolí
Hlavonožce sa zvyčajne pohybujú pomocou tryskového pohonu (striekanie vody). V porovnaní s chvostovým pohonom, ktorý využívajú ryby, sa pri tomto spôsobe pohybu spotrebuje veľa energie. Používajú prúdový pohon, pretože nemajú plutvy ani plutvy. Účinnosť tryskového pohonu klesá pri väčších živočíchoch. To je pravdepodobne dôvod, prečo mnohé druhy používajú na pohyb plutvy alebo ramená, ak je to možné.
Okysličená voda sa dostáva do plášťovej dutiny k žiabram. Stiahnutím svalov plášťa sa voda vytláča sifónom, ktorý je vytvorený záhybom v plášti. Pohyb hlavonožcov je zvyčajne smerom dozadu, keď sa voda vytláča dopredu, ale sifón môže smerovať rôznymi smermi. Niektoré hlavonožce dokážu prispôsobiť tvar svojho tela, aby sa ľahšie pohybovali vo vode.
Niektoré druhy chobotníc sa dokážu pohybovať aj po morskom dne. Chobotnice a sépie sa môžu pohybovať na krátke vzdialenosti akýmkoľvek smerom pohybom svalovej chlopne okolo plášťa.
Atrament
S výnimkou chobotníc z radu Nautilidae a druhov chobotníc z podradu Cirrina majú všetky známe hlavonožce atramentový vak, ktorý sa dá použiť na vytlačenie tmavého atramentu na zmätenie predátorov.