Le cerveau est un autre organe vital qui souffre du stress en cas de fortes chaleurs. L'augmentation des températures perturbe la communication entre les cellules nerveuses et peut même les endommager, voir provoquer leur mort. En effet, la chaleur affecte la structure de l'ADN et des protéines, ainsi que l'intégrité des membranes cellulaires.

Plus la surchauffe dure longtemps, plus les conséquences peuvent être graves. Les voies cognitives peuvent être dérégulées, ce qui peut provoquer des altérations émotionnelles telles qu'une augmentation de l'anxiété, des maux de tête, une altération du jugement, etc.