В состав таламуса входят клеточные скопления (ядра), отграниченные друг от друга прослойками белого вещества. К каждому ядру подходят собственные афферентные и эфферентные связи. Соседние ядра формируют группы. Выделяют:
передние ядра (nucii. anteriores) - имеют реципрокные связи с сосцевидным телом и сводом, известные как сосцсвидно-таламический пучок (пучок Вик д'Азира) с поясной извилиной, относящиеся к лимбической системе;
задние ядра, или ядра подушки 6yipa (nucli posteriores) - связаны с ассоциативными полями теменной и затылочной областей; играют важную роль в интеграции различных видов поступающей сюда сенсорной информации;
дорсальное боковое ядро (nuci dorsolateral) - получает афферентные импульсы от бледного шара и проецирует их в каудальные отделы поясной извилины;
вентролатеральные ядра (nucli. ventrolaterals) - самые крупные специфические ядра, являются коллектором большинства соматосенсорных путей: медиальная петля, спиноталамические пути, тройнично-таламические и вкусовые пути, по которым проходят импульсы глубокой и поверхностной чувствительности и др.;
медиальные ядра (nucli mediates) - ассоциативные, получают афферентные импульсы от вентральных и интраламинарных таламических ядер, гипоталамуса, ядер среднего мозга и бледного шара; эфферентные пути отсюда направляются в ассоциативные области префронтальной коры, расположенные впереди моторной зоны;
внутрипластинчатые ядра (интраламинарные ядра, nucli. intralaminares) - составляют основную часть неспецифической проекционной системы таламуса; афферентные импульсы они получают частично по восходящим волокнам ретикулярной формации ствола нерва, частично по волокнам, начинающимся от ядер таламуса. Исходящие от этих ядер проводящие пути направляются в хвостатое ядро, скорлупу, бледный шар, относящиеся к экстрапирамидной системе, и, вероятно, в другие ядерные комплексы таламуса, которые затем направляют их во вторичные ассоциативные зоны коры мозга. Важной частью интраламинарного комплекса является центральное ядро таламуса, представляющее таламический отдел восходящей ретикулярной активирующей системы.