Khi một vùng não trở nên hoạt động mạnh hơn, lưu lượng máu và lượng oxy cục bộ sẽ tăng lên trong vòng vài giây. Chụp cộng hưởng từ chức năng (fMRI) phát hiện những thay đổi huyết động này và từ đó lập bản đồ vị trí hoạt động thần kinh một cách không xâm lấn.

Tín hiệu phổ biến nhất là tín hiệu phụ thuộc mức oxy trong máu, hay còn gọi là tín hiệu BOLD. Người tham gia thực hiện các nhiệm vụ bên trong máy quét trong khi hình ảnh được thu thập cứ sau một đến ba giây. So sánh thống kê giữa điều kiện thực hiện nhiệm vụ và điều kiện đối chứng cho thấy các vùng có hoạt động tương quan với hoạt động tinh thần cần nghiên cứu. Phương pháp này đã làm thay đổi ngành khoa học thần kinh nhận thức bằng cách cho phép nghiên cứu lặp đi lặp lại trên cùng một cá nhân và bao phủ toàn bộ não bộ.

Những hạn chế bao gồm độ phân giải thời gian tương đối chậm so với EEG và mối quan hệ gián tiếp với hoạt động dẫn truyền thần kinh thực tế. Cần thiết kế và phân tích thí nghiệm cẩn thận để tránh kết quả dương tính giả. Mặc dù có những hạn chế này, fMRI vẫn là công cụ chủ đạo để xác định vị trí chức năng não bộ ở người khỏe mạnh và trong các nhóm đối tượng bệnh lý.

Một lần quét duy nhất có thể thu được cả hình ảnh cấu trúc và bộ dữ liệu chức năng phong phú.