La théorie fréquentielle propose que la hauteur d'un son soit codée par la fréquence des influx nerveux qui parcourent le nerf auditif. Un son de 200 Hz produit 200 influx par seconde ; un son plus aigu produit une fréquence plus élevée.

Cette théorie fonctionne bien pour les basses fréquences. Les neurones individuels peuvent se contracter de manière synchrone avec l'onde sonore jusqu'à quelques centaines de hertz. Pour les fréquences plus élevées, aucun neurone isolé ne peut suivre le rythme. Le principe de la volée étend cette théorie en proposant que des groupes de neurones se partagent la charge, en se contractant par groupes décalés dont la fréquence combinée correspond à celle du son.

La théorie fréquentielle est généralement associée à la théorie spatiale, selon laquelle différentes fréquences excitent différentes zones de la membrane basilaire. Les théories modernes les considèrent comme complémentaires : le codage spatial prédomine aux hautes fréquences, le codage fréquentiel (ou temporel) aux basses fréquences, et les deux interviennent dans la gamme des fréquences moyennes.

Lorsque le système auditif suit le tempo d'une onde sonore, la théorie de la fréquence décrit le mécanisme.