Luktsinnet börjar i näshålans övre del, i det olfaktoriska epitelet, som är lokaliserat i regio olfactoria i näsans tak. Detta specialiserade epitel innehåller luktceller (olfaktoriska receptorceller), stödjeceller och basalceller. Luktcellerna är bipolära neuron med cilier som sticker ut i slemhinnan och innehåller luktreceptorer som kan binda doftmolekyler lösta i nässlem.
När en doftmolekyl binder till en receptor på en luktcilie aktiveras ett G-protein (Golf), vilket i sin tur aktiverar adenylatcyklas. Detta leder till produktion av cAMP som öppnar cykliskt nukleotidstyrda jonkanaler. Natrium- och kalciumjoner strömmar in, depolariserar cellen och genererar en receptorpotential som kan utlösa aktionspotential i axonet.
Axonerna från luktcellerna samlas i små buntar som tillsammans utgör nervus olfactorius, CN I. Dessa axoner passerar genom lamina cribrosa i os ethmoidale och når olfaktoriska bulben (bulbus olfactorius), där de synapsar i glomeruli med mitral- och tuftade celler. Dessa vidarebefordrar signalen bakåt i tractus olfactorius.
Tractus olfactorius delar sig i flera grenar. Signaler går till primära olfaktoriska barken som består av flera områden: uncus, amygdala, piriform cortex och delar av entorhinal cortex. Detta system är unikt bland sinnessystem eftersom det inte passerar thalamus innan det når cortex. Det kopplas däremot vidare till thalamus, hippocampus och hypothalamus efter initial analys, vilket möjliggör koppling till emotioner, minne och autonoma reaktioner.
Luktsinnet gör det möjligt att upptäcka och identifiera kemiska ämnen i omgivningen. Det har viktiga roller i aptitreglering, varningssystem vid fara (t.ex. rök, förruttnelse) samt social och emotionell kommunikation. Luktintryck kan väcka starka minnen på grund av dess nära koppling till limbiska systemet.
Olfaktoriska receptorceller är ovanliga eftersom de regenereras kontinuerligt från basalceller under hela livet. Detta gör luktlöken till en av få delar av nervsystemet med kontinuerlig neurogenes. Luktförmågan kan dock avta med ålder eller skadas vid trauma mot lamina cribrosa eller infektioner.
Skador på CN I kan ge anosmi (total luktförlust) eller hyposmi (nedsatt luktförmåga). Vanliga orsaker inkluderar skalltrauma, neurodegenerativa sjukdomar som Parkinsons och Alzheimers samt övre luftvägsinfektioner. Eftersom luktbarken är nära amygdala och hippocampus påverkas ofta luktsinnet tidigt i demenssjukdomar. Parosmi (förvrängd luktuppfattning) kan uppkomma vid regenerering efter skada eller infektion.