La struttura anatomica delle sinapsi varia in funzione delle rispettive parti del sistema nervoso dei mammiferi. Le terminazioni delle fibre presinaptiche sono di norma ingrossate a formare dei bottoni terminali o sinaptici. Essi sono localizzati normalmente su spine dendritiche, cioè su piccole protuberanze che sporgono dai dendriti. In alcuni casi le ramificazioni terminali dell'assone del neurone presinaptico formano un canestro o rete attorno al soma della cellula postsinaptica. In altre sedi esse si intrecciano con i dendriti della cellula postsinaptica (fibre rampicanti del cervelletto) o terminano direttamente sui dendriti (dendriti apicali delle celule piramidali corticali) o sugli assoni (terminazioni asso-assoniche). Nel midollo spinale le terminazioni presinaptiche sono strettamente applicate al soma ed alle regioni prossimali dei dendriti del neurone postsinaptico. Il numero dei bottoni sinaptici varia da uno per cellula postsinaptica (nel mesencefalo) fino a valori molto elevati; è stato calcolato che il numero di bottoni sinaptici su un singolo motoneurone spinale è di circa 10.000 dei quali 2.000 sul corpo cellulare e 8.000 sui dendriti.
La porzione della membrana del soma ricoperta da ogni singolo bottone sinaptico è piccola, ma i bottoni sinaptici sono così numerosi che nell'insieme l'area da essi ricoperta è circa del 40% della superficie totale della membrana. Nella corteccia cerebrale è stato calcolato che circa il 98% delle sinapsi è sui dendriti e solo il rimanente, cioè il 2%, sui corpi cellulari. Nel prosencefalo umano è stato calcolato che il rapporto tra sinapsi e neuroni è di 40.000 a 1.
Al microscopio elettronico si può notare che nelle sinapsi chimiche bottoni sinaptici sono separati dalla membrana della cellula postsinaptica da una fessura sinaptica, larga 20 nm circa. Tanto il bottone sinaptico quanto il soma hanno la membrana intatta. Dentro il bottone vi sono molti mitocondri e piccole vescicole o granuli, specialmente numerosi nella parte del bottone più vicina alla fessura sinaptica. Le vescicole o granuli contengono piccoli pacchetti del mediatore chimico responsabile della trasmissione sinaptica; la loro morfologia varia a seconda della natura del trasmettitore in esso contenuto.
Solo alcuni dei bottoni sinaptici che terminano su di un neurone sono terminazioni di un singolo neurone presinaptico. I motoneuroni spinali ne ricevono dalle radici dorsali, dai lunghi fasci spinali discendenti ed in gran parte dagli interneuroni, brevi neuroni di connessione. In questo modo, su ogni neurone postsinaptico convergono parecchi neuroni presinaptici; inversamente, gli assoni di quasi tutti i neuroni presinaptici si dividono in molti rami che divergono per terminare su molti neuroni postsinaptici. La convergenza e la divergenza sono il substrato anatomico della facilitazione, dell'occlusione e della riverberazione. Si è calcolato che nel cervello umano ci sono circa 100 miliardi di neuroni e 100.000 miliardi di sinapsi. Di conseguenza, in media su un neurone convergono 1.000 afferenze, mentre ogni neurone diverge su 1.000 altri neuroni. E' ovvio che il numero di possibili vie che un impulso può seguire attraverso una rete neuronica di tale complessità è astronomico.
In genere le sinapsi permettono la conduzione degli eccitamenti solamente in una direzione, e cioè dai neuroni presinaptici a quelli postsinaptici. Un impulso condotto antidromicamente lungo gli assoni delle radici ventrali si esaurisce dopo aver depolarizzato i corpi cellulari dei motoneuroni spinali. Poichè gli assoni conducono con uguale facilità in entrambe le direzioni, la presenza di un 'cancello' a senso unico a livello delle sinapsi rappresenta una condizione necessaria per una funzione nervosa ordinata. La trasmissione chimica a livello delle giunzioni sinaptiche spiega la conduzione a senso unico. Il trasmettitore è localizzato nei bottoni terminali delle fibre presinaptiche, mentre nella membrana postsinaptica se ne trova poco o niente. Quindi un impulso che arriva alla membrana postsinaptica non può liberare la sostanza. La progressione degli eccitamenti avviene solo quando il potenziale d'azione giunge nelle terminazioni presinaptiche e determina la liberazione del trasmettitore immagazzinato.
