狗的嗅覺是其最爲突出的特點之一，它們的嗅覺能力非常強大。這種能力主要得益於狗擁有數量龐大的嗅覺受體細胞，這些細胞能夠感知微小的氣味分子並將其轉化爲神經信號傳遞到大腦。狗的嗅覺細胞總數是人類的40到100倍，整體的嗅覺靈敏度是人類的100萬倍。人類的嗅覺細胞大約有500萬個，而狗的嗅覺細胞數量從1.2億個，這意味着狗能夠感知到比人類更微弱和更復雜的氣味。
狗可以通過嗅覺識別出各種不同的東西，包括人類、其他動物、物品甚至時間。在識別人類時，狗最敏感的是人的荷爾蒙氣味，這使得它們能夠識別出人的情緒和身份。狗的嗅球佔據了大腦的很大一部分，嗅球是位於大腦前部的一箇球形結構，主要負責傳導和處理嗅覺信息。狗的嗅球佔據了大腦的8%左右，是人類的40倍，這說明狗對氣味的分析和記憶能力非常強，它們可以辨別出上千種不同的氣味，並且記住它們。
此外，狗還可以用來幫助那些患有自閉症或視力受損的人，通過嗅覺來感知周圍的環境和人物。狗的鼻腔裏有很多的皺摺，這和人類很相似，不過它們的皺褶比人類多得多，攤開來面積約是人類的4倍。而且皺褶上面的嗅覺細胞也鋪陳的密密麻麻。