Lý thuyết tần số cho rằng cao độ của âm thanh được mã hóa bởi tốc độ truyền xung thần kinh dọc theo dây thần kinh thính giác. Âm thanh 200 Hz tạo ra 200 xung mỗi giây; âm thanh có tần số cao hơn sẽ tạo ra tốc độ nhanh hơn.

Lý thuyết này hoạt động tốt ở tần số thấp. Các tế bào thần kinh riêng lẻ có thể phát xung đồng bộ với sóng âm ở tần số lên đến vài trăm hertz. Đối với tần số cao hơn, không một tế bào thần kinh nào có thể theo kịp. Nguyên tắc xung đồng loạt mở rộng lý thuyết này bằng cách đề xuất rằng các nhóm tế bào thần kinh chia sẻ tải trọng, phát xung theo từng nhóm so le có tốc độ kết hợp phù hợp với tần số của âm thanh.

Lý thuyết tần số thường được kết hợp với lý thuyết vị trí, cho rằng các tần số khác nhau kích thích các vị trí khác nhau dọc theo màng đáy. Các lý thuyết hiện đại coi hai lý thuyết này bổ sung cho nhau: mã hóa vị trí chiếm ưu thế ở tần số cao, mã hóa tần số (hoặc thời gian) ở tần số thấp, và cả hai cùng hoạt động ở dải tần trung bình.

Khi hệ thống thính giác theo dõi nhịp độ của sóng âm, lý thuyết tần số mô tả cơ chế này.