تعتمد الآليات الفسيولوجية للتفكير على العمليات العصبية والكيميائية التي تحدث في الدماغ. وتتضمن هذه العمليات:
1- التواصل بين الخلايا العصبية في الدماغ.
2- إرسال الإشارات العصبية بين المناطق المختلفة في الدماغ.
3- إطلاق المواد الكيميائية التي تؤثر على النشاط العصبي.
4- التحكم في تدفق الدم والأكسجين إلى الدماغ.
5- تنظيم العمليات الحيوية الأساسية للدماغ مثل النوم والاستيقاظ والجوع والعطش والحرارة.
كل هذه الآليات تعمل معًا لتمكين الدماغ من القيام بالتفكير والتعلم والذاكرة واتخاذ القرارات والتحليل والإدراك والإبداع.