Chụp cộng hưởng từ chức năng, hay fMRI, đo hoạt động của não bằng cách phát hiện những thay đổi trong lưu lượng máu. Khi một vùng não trở nên hoạt động mạnh hơn, nó sẽ nhận được lượng máu giàu oxy tăng nhanh; fMRI ghi lại phản ứng huyết động đó.

Phương pháp này đã làm thay đổi ngành khoa học thần kinh nhận thức. Các nhà nghiên cứu có thể quan sát những vùng nào được kích hoạt trong quá trình nhận thức, trí nhớ, ngôn ngữ, ra quyết định và cảm xúc trong khi người tham gia nằm trong máy quét và thực hiện các nhiệm vụ được thiết kế cẩn thận. Độ phân giải không gian ở mức milimét; độ phân giải thời gian bị hạn chế bởi phản ứng lưu lượng máu chậm hơn, thường là vài giây. Kết hợp fMRI với các kỹ thuật khác như EEG có thể giúp bù đắp cho hạn chế về thời gian.

Việc giải thích cần thận trọng. Tín hiệu BOLD là một phép đo gián tiếp hoạt động thần kinh, và một vùng "sáng lên" không nhất thiết là nguyên nhân duy nhất hoặc chính yếu gây ra hành vi đang được nghiên cứu. Thiết kế thí nghiệm cẩn thận, ngưỡng thống kê phù hợp và sự lặp lại vẫn rất cần thiết. Mặc dù có những hạn chế này, fMRI đã lập bản đồ các mạng lưới quy mô lớn và tạo ra các giả thuyết hướng dẫn cả nghiên cứu cơ bản và điều tra lâm sàng.

Khi câu hỏi đặt ra là phần nào của não bộ hoạt động tích cực hơn trong một hoạt động tinh thần cụ thể, fMRI cung cấp câu trả lời được sử dụng rộng rãi nhất.