Los invertebrados representan aproximadamente el 95% de las especies existentes, y la mayoría de ellos pertenecen a ecosistemas acuáticos. Los invertebrados marinos se encuentran en niveles intermedios de la cadena alimentaria y, por lo tanto, desempeñan un papel central en la biodiversidad de los ecosistemas. Además, estos organismos tienen un ciclo de vida corto, fácil manipulación en laboratorio y alta sensibilidad a la contaminación marina y, por lo tanto, se consideran bioindicadores óptimos para evaluar agentes químicos perjudiciales relacionados con el medio marino y con potencial toxicidad para la salud humana, incluida la neurotoxicidad. En general, aunque simple, el sistema nervioso de los invertebrados marinos está compuesto por células neuronales y gliales, y presenta similitudes bioquímicas y funcionales con el sistema nervioso de los vertebrados, incluidos los humanos. En las últimas décadas, nuevas tecnologías genéticas y transcriptómicas han hecho posible la identificación de muchos genes neuronales y factores de transcripción homólogos a los de los humanos. La neuroinflamación, el estrés oxidativo y los niveles alterados de neurotransmisores son algunos de los aspectos de los efectos neurotóxicos que también pueden ocurrir en organismos invertebrados marinos. El propósito de esta revisión es proporcionar una visión general de los principales contaminantes marinos, como metales pesados, pesticidas y micro y nano-plásticos, con un enfoque en sus efectos neurotóxicos en organismos invertebrados marinos. Esta revisión podría ser un estímulo para la bio-investigación hacia el uso de sistemas de modelos invertebrados diferentes a los modelos mamíferos tradicionales, éticamente cuestionables, que consumen mucho tiempo y son altamente costosos.