प्रत्येक क्रिया, भावना और सीखी हुई कुशलता का एक जैविक आधार होता है। व्यवहारिक तंत्रिका विज्ञान जानवरों और मनुष्यों में देखे जा सकने वाले व्यवहार को तंत्रिका तंत्र से जोड़कर इन आधारों की जांच करता है।

शोधकर्ता विशिष्ट व्यवहार उत्पन्न करने वाले परिपथों और अणुओं की पहचान करने के लिए घावों, औषध विज्ञान, आनुवंशिक उपकरणों, विद्युत शरीरक्रिया विज्ञान और इमेजिंग का उपयोग करते हैं। प्रमुख प्रश्नों में शामिल हैं कि मस्तिष्क स्मृतियाँ कैसे बनाता है, प्रेरणा का स्रोत क्या है, संवेदी इनपुट क्रिया में कैसे परिवर्तित होता है, और कुछ व्यवहार रोग संबंधी क्यों हो जाते हैं।

यह क्षेत्र मनोविज्ञान, शरीर क्रिया विज्ञान और आणविक जीव विज्ञान के अंतर्संबंध पर स्थित है। इसके निष्कर्ष व्यसन, चिंता, गति विकार और संज्ञानात्मक हानि के उपचारों में सहायक होते हैं। पशु मॉडल महत्वपूर्ण बने हुए हैं क्योंकि वे ऐसे कारण-संबंधी प्रयोगों की अनुमति देते हैं जो मनुष्यों में शायद ही संभव होते हैं, जबकि मानव अध्ययन प्रासंगिकता का अंतिम परीक्षण प्रदान करते हैं।

एक सुनियोजित व्यवहारिक प्रयोग से यह पता चल सकता है कि कैसे एक एकल सिनेप्स या एक वितरित नेटवर्क किसी जीव की अगली प्रतिक्रिया को आकार देता है।