Amikor egy agyterület aktívabbá válik, a helyi véráramlás és oxigénellátás néhány másodpercen belül megnő. A funkcionális mágneses rezonancia képalkotás kimutatja ezeket a hemodinamikai változásokat, és ezáltal non-invazív módon feltérképezi az idegi aktivitás helyét.

A leggyakoribb jel a vér oxigénszintjétől függő, vagyis BOLD kontrasztanyag. A résztvevők feladatokat hajtanak végre a szkennerben, miközben egy-három másodpercenként képeket rögzítenek. A feladat- és kontrollfeltételek statisztikai összehasonlítása feltárja azokat a régiókat, amelyek aktivitása korrelál a vizsgált mentális működéssel. A módszer átalakította a kognitív idegtudományt azáltal, hogy lehetővé teszi ugyanazon személyek ismételt vizsgálatát, és az egész agyat lefedi.

A korlátok közé tartozik az EEG-hez képest viszonylag lassú időbeli felbontás, valamint a tényleges neuronális tüzeléssel való közvetett kapcsolat. A téves pozitív eredmények elkerülése érdekében gondos kísérleti tervezésre és elemzésre van szükség. Ezen korlátok ellenére az fMRI továbbra is a domináns eszköz az emberi agyműködés lokalizálására egészséges és klinikai populációkban.

Egyetlen szkennelési munkamenet során szerkezeti képeket és gazdag funkcionális adatkészleteket is előállíthatunk.