神經心理學試圖根據大腦的生理過程來解釋人類的心理活動，這些心理活動包括生化過程、神經電活動以及大腦的生理結構。
加拿大精神生物學家唐納德·赫布（Donald Hebb，1904年—1985年）聲稱自己發現了聯想學習機制背後的神經過程，但他很快又發現沒有相應的大腦生物機制能支持聯想主義。實際上，他發現新感知或注意力轉移會觸發一系列神經元，他稱其為一組「細胞集合」。例如，赫布解釋了一個孩子在聽到腳步聲後如何觸發一組細胞集合，從而形成了一系列感知。當孩子下一次聽到腳步聲時，這組細胞集合會再次興奮。如果孩子聽到腳步聲或孩子的父母出現了，另一組細胞集合將會興奮起來，負責查看父母。一組細胞集合激活後會持續一小會兒，他將其稱為神經活動的迴響。這意味著，如果在很短的時間內激活另一組細胞集合，兩個集合單元就可以關聯起來。他將像這樣聯結的多組細胞集合稱為「相位序列」。
所以，孩子聽到腳步聲後看到爸爸或媽媽，這個過程會形成一個相位序列。在這個序列中，孩子的第一個感知是腳步聲，感知到腳步聲的這組細胞集合會自動激活第二組細胞集合。在父母到來之前，這組細胞集合就會興奮起來，所以孩子會預期父母的到來（並且有可能變得興奮）。羅伯特·瑞斯克拉發現的經典條件反射會在意外的環境中消退也是這個道理。細胞集合和相位序列可以由一個真實的外部感知（在本例中指的是孩子聽到的腳步聲）重新激活，也可以由一個想法重新激活。例如，當我們周圍沒有牛的時候，這一過程可以使我們的大腦中浮現一頭奶牛的形象，形成奶牛概念的相關感知早已經聯繫在一起了。赫布認為，嬰兒主要是以「聯想」的方式學習，在神經之間建立聯結，形成細胞集合和相位序列。成年人已經做了許多這樣的工作，並通過上述過程認識和理解了環境，他們的學習方式與兒童不同，主要通過創造力和洞察力來重新組合現有的細胞集合和相位序列。
神經元
1906年，意大利醫生和科學家卡米洛·高爾基（Camillo Golgi，1843年—1926年）和西班牙神經學家聖地亞哥·拉蒙-卡哈爾（Santiago Ramon y Cajal，1852年—1934年）發現了神經元，共同獲得了諾貝爾生理學或醫學獎。神經元是一種神經細胞，它們將信息作為電和化學信號傳入、傳出中樞神經系統（CNS）或者在中樞神經系統內部傳遞。感覺神經元從感覺器官到中樞神經系統傳遞有關環境的信息（視覺、聽覺、觸覺等）。運動神經元從中樞神經系統向肌肉傳遞信息以控制運動。在中樞神經系統中，中間神經元在脊髓和大腦中相互聯接，並傳遞和加工信息。
人類有許多不同類型的神經元，但它們通常由一個細胞體、一個軸突（軸突是細胞體的一個較長的延伸，人類的軸突能延伸至1米長）和樹突（軸突的分叉）組成。一個神經細胞可能有數百個樹突，它們使一個神經元能夠與許多其他神經元聯接。神經元之間的聯接發生在突觸上，突觸之間有微小的間隙，化學物質在間隙中將信號從一邊傳遞到另一邊。人類的大腦中有85億~100億個神經元，而突觸的數量可能是神經元的1000倍。研究人員已經將大腦的神經網絡模型應用到計算機系統的設計中。