Gdy dany obszar mózgu staje się bardziej aktywny, lokalny przepływ krwi i natlenienie wzrastają w ciągu kilku sekund. Funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego wykrywa te zmiany hemodynamiczne i w ten sposób nieinwazyjnie mapuje lokalizację aktywności neuronalnej.

Najczęstszym sygnałem jest kontrast zależny od poziomu tlenu we krwi, czyli BOLD. Uczestnicy wykonują zadania wewnątrz skanera, a obrazy są pozyskiwane co jedną do trzech sekund. Statystyczne porównanie warunków zadania i kontroli ujawnia obszary, których aktywność koreluje z interesującą operacją umysłową. Metoda ta zrewolucjonizowała neuronaukę poznawczą, umożliwiając wielokrotne badanie tych samych osób i obejmując cały mózg.

Do ograniczeń należą stosunkowo niska rozdzielczość czasowa w porównaniu z EEG oraz pośredni związek z rzeczywistą aktywnością neuronów. Aby uniknąć wyników fałszywie dodatnich, konieczne jest staranne zaprojektowanie eksperymentu i przeprowadzenie dokładnej analizy. Pomimo tych ograniczeń, fMRI pozostaje dominującym narzędziem do lokalizacji funkcji mózgu u osób zdrowych i pacjentów klinicznych.

Pojedyncza sesja skanowania może dostarczyć zarówno obrazów strukturalnych, jak i bogatych zestawów danych funkcjonalnych.