Bir beyin bölgesi daha aktif hale geldiğinde, yerel kan akışı ve oksijenlenme birkaç saniye içinde artar. Fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme, bu hemodinamik değişiklikleri tespit ederek sinir aktivitesinin yerini invaziv olmayan bir şekilde haritalandırır.

En yaygın sinyal, kan oksijen seviyesine bağlı veya BOLD kontrastıdır. Katılımcılar tarayıcı içinde görevler gerçekleştirirken, görüntüler her bir ila üç saniyede bir alınır. Görev ve kontrol koşullarının istatistiksel karşılaştırması, aktivitesi ilgili zihinsel işlemle ilişkili bölgeleri ortaya çıkarır. Bu yöntem, aynı bireylerin tekrar tekrar incelenmesine ve tüm beyni kapsamasına olanak sağlayarak bilişsel sinirbilimi dönüştürmüştür.

Sınırlamalar arasında EEG'ye kıyasla nispeten yavaş zamansal çözünürlük ve gerçek nöronal ateşlemeyle dolaylı bir ilişki yer almaktadır. Yanlış pozitiflerden kaçınmak için dikkatli deneysel tasarım ve analiz gereklidir. Bu kısıtlamalara rağmen, fMRI sağlıklı ve klinik popülasyonlarda insan beyni fonksiyonunu lokalize etmek için baskın araç olmaya devam etmektedir.

Tek bir tarama seansı hem yapısal görüntüler hem de zengin fonksiyonel veri kümeleri sağlayabilir.