لكل فعل وعاطفة ومهارة مكتسبة أساس بيولوجي. يدرس علم الأعصاب السلوكي هذه الأسس من خلال ربط الآليات العصبية بالسلوك الملحوظ لدى الحيوانات والبشر.

يستخدم الباحثون تقنيات مثل إحداث آفات في الدماغ، وعلم الأدوية، والأدوات الجينية، وعلم وظائف الأعضاء الكهربائية، والتصوير لتحديد الدوائر والجزيئات المسؤولة عن توليد سلوكيات محددة. وتشمل الأسئلة الكلاسيكية: كيف يُكوّن الدماغ الذكريات، وما الذي يحفز الدافع، وكيف يتم تحويل المدخلات الحسية إلى أفعال، ولماذا تصبح بعض السلوكيات مرضية.

يقع هذا المجال عند تقاطع علم النفس وعلم وظائف الأعضاء وعلم الأحياء الجزيئي. وتُسهم نتائجه في تطوير علاجات الإدمان والقلق واضطرابات الحركة والضعف الإدراكي. ولا تزال النماذج الحيوانية أساسية لأنها تتيح إجراء تعديلات سببية نادرة الحدوث في البشر، بينما تُوفر الدراسات البشرية الاختبار الأمثل لمدى ملاءمة النتائج.

يمكن لتجربة سلوكية مصممة بشكل جيد أن تكشف كيف يشكل مشبك عصبي واحد أو شبكة موزعة ما يفعله الكائن الحي بعد ذلك.