历史上最早是从解剖人的尸体和研究脑局部损伤病人来获取脑的结构和功能知识。随着认知神经科学的兴起，现在研究心理与行为的脑机制的比较常见的几种方法有以下几种。
（一）刺激法这种方法就是在动物脑内埋入微小的电极，通以微电流刺激特定部位的神经元活动，生以观察其行为反应。
（二）损毁法和切除法
这种方法就是通过切除或损毁动物脑的一定部位特定的神经核，或切断通向该部位的神经通路，然后观察其行为的变化（也包括对那些因负伤、脑溢血、肿瘤或癫痫而使脑的一定部位受损的病人的观察）。
（三）脑电图
在头皮表面记录到的自发节律性电活动，称为脑电图（简称EBG）。这种自发电位主要是由皮质大量神经组织的突触后电位同步总和形成的。
（四）微电极记录法
神经心理学家不仅可以在头皮上记录到脑活动时的电位变化，而且还可以使用电极记录脑内大虽神经元的活动情况。
（五）脑成像技术
1.计算机断层扫描
计算机辅助的X射线扫描在对大脑疾病和损伤的诊断中起着革命性的作用。传统的X光检查最多只能产生一幅大脑阴影的图像，这样的影像分辨力不高。为了解决这个问题，研究者设计了计算机断层扫描（简称CT）。
2.磁共振成像
磁共振成像（简称MRI）是运用磁场原理来产生体内活动的图像。在MRI扫描中，由一个探测器负责记录身体内氢原子对强磁场的反应，之后，通过计算机程序产生一个三维的大脑或躯体的图像。休内任何一个两维平面的物体都能在计算机对MRI数据的选择中被找到并形成一个图像，然后在屏幕上显示出来。这样，研究者就仿佛在一个透明的三维空间中观察大脑的内部状态。
3.正电子成像术
正电子成像术（简称PET）也许是目前脑成像技术中应用最多的方法之一。当含有微量的放射性同位素葡萄糖溶液进入血液被大脑吸收后，PET能检测到这种溶液发射的正电子。大脑工作时必须消耗能虽，这样，PET扫描就能显示大脑中的哪个区域在消耗更多的葡萄糖。能虽消耗越多的地方，也是大脑活动越多的地方。
（六）经颅磁刺激技术
经颅磁技术（简称FMS）可以看作一种暂时的、可逆的“虚拟性损毁”。其基本原理：电容器首先储存大量电荷，然后将电荷输至感应器，感应线圈瞬时会释放大量电荷产生磁场，磁力线以非侵入的方式轻易地穿过头皮、颅骨和脑组织，并在脑内产生反向感生电流。皮层内的电流激活较大的锥体神经元，引起轴突内的微观变化，进而诱发电生理和功能变化。
（七）未来研究手段
随着研究的逐步深入，现有技术的局限性越发明显。认知神经科学家为了弥补这些缺陷，已作出很多努力，主要表现在两个方面：（1）对现有技术的合理结合，如PET-CT、ERP-fMRI、PET-fMRI及TMS-fMRI等结合方式有利促进了脑机制的研究；（2）新技术的开发利用。