Головной мозг осьминога высокоразвитый и один из самых развитых среди беспозвоночных, имеет зачаточную кору. Мозг осьминога имеет форму бублика и расположен вокруг пищевода. Глаза большие, с хрусталиком, похожим на человеческий. Зрачок прямоугольный.
Осьминоги способны воспринимать звук, в том числе инфразвук. На каждой «руке» расположено до десяти тысяч вкусовых рецепторов, определяющих съедобность или несъедобность предмета, так что нападение осьминога нам наверное не грозит. По крайне мере я знаю что делать если на нас таки нападет осьминог.
В 2015 году было объявлено о расшифровке генома осьминога. Длина генома осьминогов этого вида, почти так же велика и равна 2,7 миллиарда пар оснований, как длина генома человека который имеет 3 миллиарда пар оснований, и примерно в 5—6 раз больше длин геномов других беспозвоночных. Геном осьминога содержит около 33 тысяч кодирующих белки генов в то время как у человека таких генов менее 25 тысяч. У осьминога 28 хромосом, что меньше, чем у человека, но гораздо больше, чем других беспозвоночных животных.
Обыкновенный осьминог обладает способностью изменять окраску, приспосабливаясь к окружающей среде. Это объясняется наличием в его коже клеток с различными пигментами, способных под влиянием импульсов из центральной нервной системы растягиваться или сжиматься в зависимости от восприятия органов чувств. Обычный окрас — коричневый. Если осьминог напуган — он белеет, если разгневан, то краснеет.
Осьминоги, по крайне мере те что жили на Земле и которые до сих пор продолжают жить, только в аквариумах, в среднем живут по 2-3 года. Но встречаются и виды срок жизни которых составляет до 5 лет.
Осьминоги являются хищниками. Поедают моллюсков, ракообразных, рыбу. Добычу обыкновенный осьминог захватывает всеми восемью щупальцами. Осьминог своим клювом кусает жертву, удерживая её присосками. При этом яд слюнных желез из глотки попадает в рану жертвы. Сильно выражены индивидуальные предпочтения в еде и в способе её добывания.
Большинство видов осьминогов ведёт придонный образ жизни, обитая среди камней, скал и водорослей. На Дальнем Востоке излюбленным укрытием молодняка являются пустые раковины приморского гребешка. Днём осьминоги менее активны, чем ночью, поэтому их считают ночными животными.
По твёрдой поверхности (в том числе по отвесной) осьминог передвигается ползком, используя щупальца с присосками. Может также плавать щупальцами назад, приводя себя в движение своеобразным водомётным движителем — набирая воду в полость, в которой находятся жабры, и с силой выталкивая её в направлении, обратном движению, через воронку, играющую роль сопла. Направление движения меняет, поворачивая воронку. Оба способа передвижения осьминога довольно медленные: плавая, он уступает в скорости рыбам. Поэтому охотиться осьминог предпочитает из засады, мимикрируя под окружение, а от преследователей старается спрятаться.
Благодаря мягкому, эластичному телу осьминоги могут проникать через отверстия и щели, гораздо меньшие обычных размеров их тела, что позволяет им изощрённо прятаться во всевозможных убежищах. Селятся даже в ящиках, бидонах, автомобильных шинах и резиновых сапогах. Предпочитают укрытия с узким входом и просторным помещением. Жилище своё содержат в чистоте: «подметают» струей воды из воронки, объедки складывают снаружи в мусорную кучу. При приближении врагов (в том числе водолазов или аквалангистов) спасаются бегством, прячась в расщелинах скал и под камнями.
Удирая, осьминоги многих видов выпускают струйки чернил — тёмной жидкости, вырабатываемой специальными железами. Эта жидкость повисает в воде в виде бесформенных полупрозрачных пятен и некоторое время держится компактно, пока не размоется водой. Зоологи пока не пришли к общему мнению о цели такого поведения. Кусто в книге «В мире безмолвия» высказывал предположение, что эти пятна — своего рода ложные цели, предназначенные для того, чтобы отвлечь на себя внимание нападающего и позволить осьминогу выиграть время, чтобы скрыться.
У осьминогов есть защитное приспособление — автотомия: схваченное врагом щупальце может оторваться за счёт сильного сокращения мышц, которые в этом случае сами себя разрывают. Оторванное щупальце в течение определённого времени продолжает двигаться и реагировать на тактильные стимулы, что служит дополнительным отвлекающим фактором для хищника преследующего осьминога.
Зимуют многие виды в более глубоких водах, а летом переселяются на мелководье.
Осьминогов многие зоопсихологи считают самыми «умными» среди всех беспозвоночных по многим показателям: поддаются дрессировке, имеют хорошую память, различают геометрические фигуры — маленький квадрат отличает от более крупного; прямоугольник, поставленный вертикально, от прямоугольника, поставленного горизонтально; круг от квадрата, ромб от треугольника. Узнают людей, привыкают к тем, кто их кормит. Если проводить с осьминогом достаточно времени, он становится ручным. Прекрасно обучаемы. Тем не менее точная оценка уровня разумности осьминогов служит предметом дебатов зоологов в виду главной способности адаптивного восприятия центральной нервной системы. Иными словами осьминоги могут программировать свой мозг под конкретную задачу
Осьминоги-одиночки. Ведут территориальный образ жизни и часто селится рядом с осьминогами такого же размера.