L'innervazione simpatica viene tradizionalmente descritta come una componente che svolge una funzione attacco/fuga ("fight or flight"). Fa capo a reazioni opposte rispetto all'innervazione parasimpatica: broncodilatazione, vasocostrizione, tachicardia, costrizione degli sfinteri, contrazione della muscolatura delle vie spermatiche (quindi contribuisce all'eiaculazione). La componente simpatica decorre con i rami anteriori dei nervi spinali compresi fra C8 e L2 (alcuni testi possono riportare T1 ed L3). Attraverso un ramo comunicante bianco le fibre mieliniche si portano ai gangli del sistema toracolombare; da qui le fibre postgangliari si portano ai territori di innervazione tramite nervi splancnici, rami comunicanti grigi che si riportano ai nervi spinali nonché rami perivascolari. L'innervazione degli organi è composita; i gangli cervicali innervano la faccia e in parte il cuore, i gangli toracici poi vanno a innervare la componente polmonare e ghiandolare. Le regioni inferiori saranno innervate da fibre che fuoriescono da tre gangli prevertebrali: il celiaco, il mesenterico superiore e il mesenterico inferiore.