A központi idegrendszer minden részében található, az [agykéreg]?ben, talamuszban igen magas koncentrációban. Az idegsejtekben termelődik, ingerület-átvivő anyag, a paraszimpatikus idegvégződések és a ganglionok előtt elhelyezkedő idegrostok végződéseinek ingerlésekor szabadul fel. Az acetilkolint termelő idegsejteket nevezzük kolinerg sejteknek. Ezeknek a sejteknek a pusztulása történik Alzheimer kórban. Parkinson kórban a dopamintermelő idegsejtek hiánya miatt túlsúlyba kerülnek a kolinerg hatások és ez okozza a tünetek egy részét.
Az acetilkolinnak közvetve vagy közvetlenül számos agyi funkcióban van szerepe.