Das Riechen bzw. die olfaktorische Wahrnehmung (lat. olfacere = riechen) bei Mensch und Säugetier funktioniert über das Sinnesorgan Nase.
Der Geruchssinn funktioniert ähnlich wie die gustatorische Wahrnehmung auf der Basis von chemischen Reizen. Luftmoleküle gelangen durch die Nase zu den Riechzellen. An Rezeptorproteinen der Sinneszellen binden die Moleküle und lösen dadurch eine Reaktion aus, infolgedessen eine elektrische Erregung (Aktionspotential) entsteht. Über den Hörnerv erreichen die zahlreich ausgelößten Erregung den Riechkolben im Gehirn.

Insgesamt verfügt der Mensch über ca. 25 Mio. Riechzellen. Zum Vergleich: Ein Hund besitzt das 10fache dieser Zahl (250 Mio) und dazu einen - im Verhältnis zum Gehirn - viel größeren Riechkolben als der Mensch. Der menschliche Geruchssinn ist gemessen an anderen Säugetieren also eher schwach, aber dennoch ausgeprägt genug, um "gefährliche Moleküle" wahrzunehmen. Darin liegt in erster Linie auch der evolutionäre Hintergrund des Geruchssinns. Riechen schützt uns davor, von übelriechenden (und möglicherweise giftigen) Nahrungsmitteln zu kosten. Einige gefährliche Gase lösen bei uns automatisch eine Abwehrreaktion aus, z.B. der Geruch von Ammoniak. Diese natürliche Schutzfunktion sorgt dafür, dass wir den übelriechenden Stoff nicht aufnehmen und uns ebenso von ihm möglichst schnell entfernen.

Riechen findet nicht nur auf bewusster Ebene statt. Auch Gerüche, die wir nicht bemerken, sogenannte Pheromone, erreichen die Riechzellen in der Nase. Die elektrischen Erregungen nehmen aber einen anderen neuronalen Pfad zum Gehirn, sodas wir die Pheromone nicht riechen können und auch nicht bemerken. Während die Forschung der Pheromone beim Menschen noch weitgehend am Anfang steht, konnten Pheromone bei Insekten als Kommunikationsmittel nachgewiesen werden. Viele Insekten suchen/finden über Sexualpheromone einen möglichen Partner, wie z.B. die Schmetterlingsart der Seidenspinner (über mehrere Kilometer hinweg).

Der wissenschaftliche Versuch, Gerüche in sinnvolle Kategorien (analog zur Einteilung der fünf Geschmackssinne) einzuteilen, konnte bisher nicht zufriedenstellend gelößt werden. Zwar existieren einige Modelle zur Einteilung von Geruchsqualitäten (z.B. moschus, blumig, faulig, fruchtig, würzig usw.), aber keine basiert wirklich auf wissenschaftlich gesichertem Datenmaterial. Auch anhand der Molekülformen können Gerüche nicht klassifiziert werden, da bereits minimale Veränderungen am Molekül zu einer großen Veränderung in der Geruchsempfindung führen. Daher eignen sich solche Geruchskategorien allenfalls für Experimente, bei denen die Einteilung der Geruchskategorien nicht selbst den Gegenstand des Experimentes bildet.

Im Folgenden sind die wesentlichen Abläufe des Riechvorgangs dargestellt. Der Aufbau der Nase verfügt über einen eigenen Artikel.

Luft wird durch die Nase eingesogen und erreicht die Riechschleimhaut, auf der sich die Riechzellen befinden. Jede Riechzelle reagiert nur auf ein spezifisches Geruchsmolekül, d.h. sobald Duftmoleküle auf die Riechschleimhaut treffen, können diese nur an genau passenden Rezeptorproteinen anlagern. Trotz der hohen Zahl an unterschiedlichen Typen von Rezeptorproteinen existiert nicht für jeden Geruch ein eigener Rezeptor. Der individuelle Geruchseindruck entsteht später im Gehirn durch die Kombination der aktivierten Rezeptorproteine.

Von dem Riechzellen ziehen die einzelnen Nervenphasern zusammen und bilden den Riechnerv (Nervus olfactorius). Der Riechnerv zieht sich bis zum Riechkolben (Bulbus olfactorius) im olfaktorischen Cortex, lokalisiert etwa auf Höhe des Übergangs von Nase zu Stirn in der Großhirnrinde. Von dort werden die Geruchsinformationen ins Telencephalon (Großhirn) geleitet und dann abhängig der Verschaltung zum Hypothalamus, Thalamus oder Hippocampus (im limbischen System verortet).

Diese Art der Verschaltung im Gehirn ist auch dafür verantwortlich, weshalb Gerüche oftmals Gefühle auslösen oder uns an vergangene Situationen erinnern, die mit dem gerade wahrgenommenen Duft in Verbindung stehen. Das limbische System ist Sitz des Gedächtnisses (Hippocampus) und der Emotionsentstehung (Amygdala).