Il cervello dell"Allosaurus", come interpretato dal calco effettuato tramite una scansione CT, era più simile a quello dei coccodrilli, rispetto a quelli di altri arcosauri viventi, come gli uccelli. Poiché l'estremità inferiore del terzo metatarso sarebbe venuta a contatto con il terreno per prima, mentre l'animale correva, questa avrebbe portato più stress. La struttura dell'orecchio interno ricordava quella di un coccodrillo, quindi l"Allosaurus" probabilmente poteva sentire le frequenze più basse e non avrebbe avuto problemi con i suoni a bassa frequenza. I bulbi olfattivi erano grandi e sembrano essere stati ben adatti per rilevare gli odori, anche se la zona per la valutazione degli odori era relativamente piccola.