Når en hjerneregion blir mer aktiv, øker den lokale blodstrømmen og oksygeneringen i løpet av få sekunder. Funksjonell magnetisk resonansavbildning oppdager disse hemodynamiske endringene og kartlegger dermed plasseringen av nevral aktivitet på en ikke-invasiv måte.

Det vanligste signalet er den blod-oksygennivåavhengige, eller BOLD, kontrasten. Deltakerne utfører oppgaver inne i skanneren mens bilder tas hvert ett til tredje sekund. Statistisk sammenligning av oppgave- og kontrollforhold avslører regioner hvis aktivitet korrelerer med den mentale operasjonen av interesse. Metoden har transformert kognitiv nevrovitenskap ved å tillate gjentatte studier av de samme individene og ved å dekke hele hjernen.

Begrensninger inkluderer relativt langsom tidsoppløsning sammenlignet med EEG og en indirekte sammenheng med faktisk nevronavfyring. Nøye eksperimentell design og analyse er nødvendig for å unngå falske positiver. Til tross for disse begrensningene er fMRI fortsatt det dominerende verktøyet for å lokalisere menneskelig hjernefunksjon i friske og kliniske populasjoner.

En enkelt skanneøkt kan gi både strukturelle bilder og rike funksjonelle datasett.