När en hjärnregion blir mer aktiv ökar det lokala blodflödet och syresättningen inom några sekunder. Funktionell magnetisk resonanstomografi detekterar dessa hemodynamiska förändringar och kartlägger därmed platsen för neural aktivitet icke-invasivt.

Den vanligaste signalen är den blod-syrenivåberoende, eller BOLD, kontrasten. Deltagarna utför uppgifter inuti skannern medan bilder tas varannan till var tredje sekund. Statistisk jämförelse av uppgifts- och kontrollförhållanden avslöjar regioner vars aktivitet korrelerar med den mentala operationen av intresse. Metoden har förändrat kognitiv neurovetenskap genom att möjliggöra upprepade studier av samma individer och genom att täcka hela hjärnan.

Begränsningar inkluderar relativt långsam tidsupplösning jämfört med EEG och ett indirekt samband med faktisk neuronal avfyrning. Noggrann experimentell design och analys krävs för att undvika falska positiva resultat. Trots dessa begränsningar är fMRI fortfarande det dominerande verktyget för att lokalisera mänsklig hjärnfunktion i friska och kliniska populationer.

En enda skanningssession kan ge både strukturella bilder och rika funktionella datamängder.