Otonom sinir sistemi, omurgalılarda, sinir sisteminin istençsiz hareketleri denetleyip düzenleyen bölümüdür. Otonom sinir sistemi birbirine karşıt işlevli sempatik ve parasempatik sinirler yoluyla iç organların işleyişini etkiler.

Omur sinirleri aracılığıyla iç organların beyinle bağlantısını sağlayan sempatik sinirler uyarıldığında kalp atımı ve kan dolaşımı hızlanır; kaslara giden kan artarken deriye giden kan azalır. Kafatası sinirleri (özellikle vagus siniri) ve bel bölgesindeki omur sinirleri parasempatik sinirlerdir; bunlar uyarılınca sindirim sistemindeki salgı miktarı artar, kalp atımı yavaşlar.