腦電圖（EEG）透過放置在頭皮上的電極來記錄大腦的電活動。它提供了大量神經元總和活動的連續、即時軌跡。

不同的頻段大致對應不同的睡眠狀態。 α波出現在閉眼放鬆的清醒狀態；β波伴隨活躍的思維和注意力；θ波和δ波在困倦和深度睡眠中占主導地位。尖峰和尖波可能提示癲癇發作。因此，腦電圖是診斷癲癇和睡眠分期的主要工具。

此方法具有極佳的時間解析度——能夠追蹤毫秒級的變化——但空間解析度有限，因為訊號會經過顱骨過濾，並且同時反映許多神經元的活動。從持續腦電圖中提取的事件相關電位能夠精確地揭示大腦對特定刺激的反應時間。

當臨床醫師需要了解大腦每時每刻的活動情況時，腦電圖仍然是最直接、最方便的檢查方法之一。