Když se oblast mozku stane aktivnější, lokální průtok krve a okysličení se zvýší během několika sekund. Funkční magnetická rezonance detekuje tyto hemodynamické změny a tím neinvazivně mapuje umístění nervové aktivity.

Nejběžnějším signálem je kontrast závislý na hladině kyslíku v krvi (BOLD). Účastníci provádějí úkoly uvnitř skeneru, zatímco snímky jsou získávány každé jednu až tři sekundy. Statistické srovnání podmínek úkolu a kontroly odhaluje oblasti, jejichž aktivita koreluje s mentální operací, která je předmětem zájmu. Tato metoda transformovala kognitivní neurovědu tím, že umožňuje opakované studium stejných jedinců a pokrývá celý mozek.

Mezi omezení patří relativně pomalé časové rozlišení ve srovnání s EEG a nepřímý vztah ke skutečnému neuronálnímu působení. Aby se předešlo falešně pozitivním výsledkům, je nutný pečlivý experimentální návrh a analýza. Navzdory těmto omezením zůstává fMRI dominantním nástrojem pro lokalizaci funkcí lidského mozku u zdravých i klinických populací.

Jediné skenování může poskytnout jak strukturální snímky, tak bohaté funkční datové sady.