عندما تزداد نشاط منطقة معينة في الدماغ، يرتفع تدفق الدم والأكسجين فيها خلال ثوانٍ معدودة. يكشف التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي عن هذه التغيرات الديناميكية الدموية، وبالتالي يرسم خريطة لموقع النشاط العصبي بطريقة غير جراحية.

الإشارة الأكثر شيوعًا هي تباين مستوى الأكسجين في الدم (BOLD). يؤدي المشاركون مهامًا داخل جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي، بينما تُؤخذ الصور كل ثانية إلى ثلاث ثوانٍ. تكشف المقارنة الإحصائية بين ظروف المهمة وظروف التحكم عن مناطق يرتبط نشاطها بالعملية الذهنية محل الاهتمام. لقد أحدثت هذه الطريقة نقلة نوعية في علم الأعصاب الإدراكي، إذ سمحت بدراسة الأفراد أنفسهم بشكل متكرر، كما أنها تغطي الدماغ بأكمله.

تشمل القيود بطء الدقة الزمنية نسبيًا مقارنةً بتخطيط كهربية الدماغ، وعلاقة غير مباشرة مع النشاط العصبي الفعلي. ويتطلب الأمر تصميمًا وتحليلًا تجريبيًا دقيقًا لتجنب النتائج الإيجابية الخاطئة. على الرغم من هذه القيود، لا يزال التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي الأداة الرئيسية لتحديد وظائف الدماغ البشري في الأفراد الأصحاء والمرضى.

يمكن لجلسة مسح واحدة أن تنتج صورًا هيكلية ومجموعات بيانات وظيفية غنية.