La teoría de la frecuencia propone que el tono de un sonido está codificado por la velocidad de los impulsos nerviosos que viajan a través del nervio auditivo. Un tono de 200 Hz produce 200 impulsos por segundo; un tono más agudo produce una velocidad mayor.

La teoría funciona bien para frecuencias bajas. Las neuronas individuales pueden activarse en sincronía con la onda sonora hasta unos pocos cientos de hercios. Para frecuencias más altas, ninguna neurona puede seguir el ritmo. El principio de descarga en ráfaga amplía la teoría al proponer que grupos de neuronas comparten la carga, activándose en grupos escalonados cuya tasa combinada coincide con la frecuencia del sonido.

La teoría de la frecuencia suele ir acompañada de la teoría del lugar, que sostiene que diferentes frecuencias excitan diferentes puntos a lo largo de la membrana basilar. Las explicaciones modernas las consideran complementarias: la codificación del lugar predomina en las frecuencias altas, la codificación de la frecuencia (o temporal) en las frecuencias bajas, y ambas operan en el rango medio.

Cuando el sistema auditivo sigue el ritmo de una onda sonora, la teoría de la frecuencia describe el mecanismo.