Хотя он составляет примерно одну шестую объема головного мозга, в мозжечке в пять раз больше нейронов. Для того, чтобы уместить столько нервной массы в такое маленькое пространство, кора мозжечка, внешнее покрытие мозжечка, сильно сложена. Образовавшиеся горизонтальные морщины называются листьями (foliae). Если разрезать одно из полушарий мозжечка вдоль, то можно увидеть причину такого обозначения: подобно ветвям дерева, внутрь разветвляется белое вещество, состоящее из нервных волокон. Анатомы называют его деревом жизни. На его ветвях складки мозжечка как бы свисают, как листья. Корни дерева образуют мозжечковые стебли, идущие от мозжечка к  стволу мозга. Мозжечок посылает и получает информацию через эти волокна.

Древо жизни обрамлено серым веществом нервных клеток . И как видно на микроскопическом уровне, это тоже необычайно точно структурировано. Те же самые три слоя клеток обнаруживаются по всему мозжечку: молекулярный слой, слой клеток Пуркинье и слой зернистых клеток, если смотреть снаружи внутрь. Особенно впечатляет средний слой — он содержит крупные клетки Пуркинье, аккуратно расположенные рядом друг с другом, как слой вишен на торте. Они являются центральными точками переключения коры мозжечка: благодаря своим широко разветвленным дендритным деревьям они получают возбуждающую и тормозную информацию почти от всех других корковых нейронов. Это может включать до 200 000 синапсов.  Клетки Пуркинье посылают сигналы ядрам мозжечка, скоплениям нервных клеток глубоко в белом веществе. Оттуда импульсы достигают других областей мозга за пределами мозжечка через ножки мозжечка.

Функционально анатомы делят мозжечок на три области, выполняющие разные задачи: вестибуло- мозжечковую, спино-мозжечковую и мостомозжечковую.

У человека преддверие мозжечка в основном состоит из анатомических структур nodulus и flocculus, обобщенно обозначаемых как lobus flocculonodularis, и, как следует из названия, функционально связано с вестибулярным аппаратом, т. е. с органом равновесия внутреннего уха. Мы обязаны преддверию мозжечка тем, что можем балансировать или ходить прямо. Он также участвует в управлении движениями глаз.

Червь мозжечка и граница шириной примерно с палец справа и слева вместе образуют спино-мозжечок. Это гарантирует, что мы можем ходить и стоять, не задумываясь об этом. От спинного мозга спиномозговой мозг узнает о положении рук, ног и верхней части тела, а также о том, какие мышцы напряжены, а какие расслаблены. Он обрабатывает эту информацию и отправляет ее в ствол мозга.

Мосто-мозжечковый угол состоит из двух полушарий. Он тесно связан с головным мозгом через ядра моста в стволе мозга. Всякий раз, когда мы что-то произвольно двигаем, задействуется мосто-мозжечковый мост: его задачи варьируются от точного хватания до координации мышц гортани при разговоре. Его можно сравнить с проводником. 

Хотя исследователям мозга известны задачи трех областей мозжечка, они до сих пор не понимают, как именно вестибуло-, спино- и мосто-мозжечковый угол  решают все эти двигательные задачи.

Последние исследования показывают, что мозжечок отвечает не только за двигательные функции. В 2005 году невролог Кэтрин Лимперопулос и ее коллеги из Университета Макгилла в Монреале изучали детей, родившихся с повреждениями мозжечка. В дополнение к двигательным проблемам у молодых пациентов также были трудности с когнитивными процессами, такими как общение, социальное поведение и зрительное восприятие. Кроме того, методы визуализации показывают, что активность в мозжечке загорается во время большого количества действий: например, во время задач кратковременной памяти, контроля импульсивного поведения, слуха и обоняния, боли, голода, одышки и многого другого. Нейробиологи пока не знают, какую роль играет мозжечок в этих различных задачах. Распространенная гипотеза состоит в том, что мозжечок отвечает за временную координацию.

Несмотря на упомянутый когнитивный дефицит, двигательные проблемы являются основной проблемой при повреждениях мозжечка. Они во многом соответствуют тому, что неврологи называют различными «атаксиями» : у пострадавших возникают проблемы с равновесием и координацией, их походка неустойчива и похожа на походку сильно пьяного человека. Когда эти больные тянутся к чему-либо, их рука дрожит сильнее по мере приближения к предмету. Кроме того, движения часто выходят за пределы допустимого. Речь звучит отрывисто. Напряжение в их мышцах часто снижается, из-за чего тело кажется дряблым.

Движения глаз пациентов также поразительны. Взгляд двигается рывками, глаза как дергаются, и часто приходится несколько раз корректировать положение глаз, чтобы зафиксироваться на объекте.