當大腦某個區域活動增強時，局部血流量和氧合作用會在幾秒鐘內上升。功能性磁振造影可以檢測到這些血流動力學變化，從而以非侵入性的方式繪製出神經活動的位置圖。

最常用的訊號是血氧水平依賴（BOLD）對比。受試者在掃描儀內執行任務，同時每隔一到三秒鐘採集一次影像。透過對任務狀態和對照狀態進行統計比較，可以揭示哪些腦區的活動與感興趣的心理活動相關。該方法透過允許對同一受試者進行重複研究並覆蓋整個大腦，徹底改變了認知神經科學。

與腦電圖（EEG）相比，功能性磁振造影（fMRI）的時間解析度相對較低，且與實際神經元放電活動的關係間接，這些都是其限制。因此，需要精心設計和分析實驗數據以避免假陽性結果。儘管有這些限制，fMRI 仍然是定位健康族群和臨床族群大腦功能的主要工具。

單次掃描即可獲得結構影像和豐富的功能資料集。