Esta parte do sistema nervoso autônomo tem origem nas regiões dorsal e lombar da medula espinal, apesar de ser controlada por estruturas pertencentes ao encéfalo, pois é naquela região que estão situados os grupos de neurônios cujas fibras saem da medula através dos correspondentes nervos raquidianos, mas que rapidamente alteram o seu percurso para chegarem a formações adjacentes, denominadas gânglios simpáticos paravertebrais, formando uma rede em ambos os lados da coluna vertebral. Cada um destes gânglios é composto por neurônios com a capacidade de receber as mensagens provenientes da medula, cujas próprias fibras se estendem ao longo dos nervos correspondentes para alcançarem os diversos tecidos e órgãos. Parte das fibras simpáticas que saem da medula não acabam nos gânglios paravertebrais, pois atravessam-nos e estendem-se até formações semelhantes situadas a volta de cada órgão efetor, denominadas gânglios simpáticos paraviscerais. Existem vários gânglios deste tipo: por exemplo, o gânglio celíaco e os gânglios mesentéricos próximos dos órgãos abdominais e pélvicos. As fibras nervosas simpáticas atravessam vários nervos até chegarem aos tecidos onde o sistema simpático exerce a sua ação: vasos sanguíneos, glândulas (sudoríparas, lacrimais), músculos oculares, coração, traquéia e brônquios, órgãos do aparelho digestivo e do sistema geniturinário, etc. Ao chegarem a esses tecidos, as fibras, perante os estímulos adequados, libertam dois neurotransmissores encarregues das ações do sistema simpático, adrenalina e noradrenalina, para os quais existem receptores específicos que desencadeiam as respostas. Como a atividade do sistema simpático afeta todo o organismo, costuma ter efeitos diversos: dilatação das pupilas, aceleração dos batimentos cardíacos, dilatação dos brônquios, aumento da pressão arterial, dilatação dos vasos sanguíneos dos músculos, contração dos vasos sanguíneos da pele e dos órgãos abdominais, redução da atividade do aparelho digestivo, entre outros. Um conjunto de respostas prepara o organismo para responder imediata e eficazmente a uma situação de alarme, através da fuga ou de outra resposta adequada.