Das Kleinhirn sorgt für die räumliche und zeitliche Koordination motorischer Handlungsabläufe und der Körperhaltung bzw. Gleichgewicht. Es werden hier Informationen aus Gleichgewichtssystemen (z.B. Bogengänge im Innenohr), Muskelspindeln, Sinnesrezeptoren, Auge und Ohr gesammelt, verbunden und laufend mit motorischen Programmen verglichen. Vom der Großhirnrinden kommen auch dazu die Impulse der willkürlichen Motorik. Das Kleinhirn kombiniert die gesamten gesammelten Informationen, um die komplexen motorischen Handlungsabläufe zu orchestrieren. Im Kleinhirn befindet sich auch das motorische (prozedurale) Gedächtnis, z.B. die Fähigkeit zu gehen, die Fähigkeit zu greifen.

Es wird postuliert, dass das Kleinhirn (ähnlich wie bei der Kontrolle von Bewegungen), kortikale Funktionen moduliert. Das heißt, im Kleinhirn in dem so genannten “Limbischen System” sollen Affekte, Stimmungen und Gefühlsregungen aufbewahrt und gesteuert werden. Schmahmann (2000) zum Beispiel bezeichnete den Kleinhirnwurm als „limbisches Zerebellum“ und stellte ihn mit Affekt und Verhaltensregulation in Zusammenhang.

Überdies wird es auch seit mehr als zwanzig Jahren diskutiert, ob das Kleinhirn eine kognitive Funktionalität besitzt. Experten weisen auf Patienten mit kognitiven und affektiven Verhaltensauffälligkeiten (insbesondere Patienten mit Autismus, Schizophrenie und Dyslexie), die auch öfters zugleich (zunehmend) strukturelle Auffälligkeiten im Kleinhirn aufweisen. Trotz dem von den Experten bisher erbrachten Beweis ist die Diskussion um eine mögliche Bedeutung des Kleinhirns für kognitive Funktionen weiterhin kontrovers. Das Hauptproblem ist dass sich kognitive Prozesse tierexperimentell schlecht untersuchen lassen und Patienten mit Erkrankungen, die sich auf den Kleinhirn beschränken auch selten sind. Daher bleibt es schwierig genug schlüssige Bewiese, um solche Theorien endgültig zu untermauern.