每一種行為、情緒和習得的技能都有其生物學基礎。行為神經科學透過將神經機制與動物和人類的可觀察行為聯繫起來，來研究這些基礎。

研究人員利用腦損傷、藥理學、基因工具、電生理學和影像技術來識別產生特定行為的神經迴路和分子。經典的研究問題包括：大腦如何形成記憶？動機的驅動力是什麼？感覺輸入如何轉化為行動？以及為什麼某些行為會發展成病態行為？

該領域融合了心理學、生理學和分子生物學。研究成果為成癮、焦慮、運動障礙和認知障礙的治療提供了基礎。動物模型仍然至關重要，因為它們能夠進行在人體中難以實現的因果操作，而人體研究則提供了檢驗研究結果相關性的最終方法。

精心設計的行為實驗可以揭示單一突觸或分佈式網路如何影響生物體的下一步行為。