Quando uma região do cérebro se torna mais ativa, o fluxo sanguíneo local e a oxigenação aumentam em poucos segundos. A ressonância magnética funcional deteta estas alterações hemodinâmicas e, assim, mapeia a localização da atividade neural de forma não invasiva.

O sinal mais comum é o contraste dependente do nível de oxigenação sanguínea, ou BOLD. Os participantes realizam tarefas dentro do scanner enquanto as imagens são adquiridas a cada um a três segundos. A comparação estatística entre as condições de tarefa e de controlo revela regiões cuja atividade se correlaciona com a operação mental de interesse. O método transformou a neurociência cognitiva ao permitir o estudo repetido dos mesmos indivíduos e ao abranger todo o cérebro.

As limitações incluem a resolução temporal relativamente lenta em comparação com o EEG e uma relação indireta com a atividade neuronal real. É necessário um planeamento experimental e uma análise cuidadosa para evitar falsos positivos. Apesar destas limitações, a fMRI continua a ser a principal ferramenta para localizar a função cerebral humana em populações saudáveis ​​e clínicas.

Uma única sessão de digitalização pode gerar tanto imagens estruturais como conjuntos de dados funcionais abrangentes.