Mọi hành động, cảm xúc và kỹ năng học được đều có nền tảng sinh học. Khoa học thần kinh hành vi nghiên cứu những nền tảng đó bằng cách liên kết các cơ chế thần kinh với hành vi có thể quan sát được ở động vật và con người.

Các nhà nghiên cứu sử dụng tổn thương não, dược lý học, công cụ di truyền, điện sinh lý học và hình ảnh học để xác định các mạch và phân tử tạo ra các hành vi cụ thể. Những câu hỏi kinh điển bao gồm cách não bộ hình thành ký ức, điều gì thúc đẩy động lực, làm thế nào thông tin cảm giác được chuyển hóa thành hành động và tại sao một số hành vi trở nên bệnh lý.

Lĩnh vực này nằm ở giao điểm của tâm lý học, sinh lý học và sinh học phân tử. Các phát hiện cung cấp thông tin cho việc điều trị chứng nghiện, lo âu, rối loạn vận động và suy giảm nhận thức. Mô hình động vật vẫn rất cần thiết vì chúng cho phép thao tác nhân quả mà hiếm khi thực hiện được ở người, trong khi các nghiên cứu trên người cung cấp bài kiểm tra cuối cùng về tính phù hợp.

Một thí nghiệm hành vi được thiết kế tốt có thể tiết lộ cách một khớp thần kinh đơn lẻ hoặc một mạng lưới phân tán định hình hành động tiếp theo của sinh vật.