神经心理学试图根据大脑的生理过程来解释人类的心理活动，这些心理活动包括生化过程、神经电活动以及大脑的生理结构。
加拿大精神生物学家唐纳德·赫布（Donald Hebb，1904年—1985年）声称自己发现了联想学习机制背后的神经过程，但他很快又发现没有相应的大脑生物机制能支持联想主义。实际上，他发现新感知或注意力转移会触发一系列神经元，他称其为一组“细胞集合”。例如，赫布解释了一个孩子在听到脚步声后如何触发一组细胞集合，从而形成了一系列感知。当孩子下一次听到脚步声时，这组细胞集合会再次兴奋。如果孩子听到脚步声或孩子的父母出现了，另一组细胞集合将会兴奋起来，负责查看父母。一组细胞集合激活后会持续一小会儿，他将其称为神经活动的回响。这意味着，如果在很短的时间内激活另一组细胞集合，两个集合单元就可以关联起来。他将像这样联结的多组细胞集合称为“相位序列”。
所以，孩子听到脚步声后看到爸爸或妈妈，这个过程会形成一个相位序列。在这个序列中，孩子的第一个感知是脚步声，感知到脚步声的这组细胞集合会自动激活第二组细胞集合。在父母到来之前，这组细胞集合就会兴奋起来，所以孩子会预期父母的到来（并且有可能变得兴奋）。罗伯特·瑞斯克拉发现的经典条件反射会在意外的环境中消退也是这个道理。细胞集合和相位序列可以由一个真实的外部感知（在本例中指的是孩子听到的脚步声）重新激活，也可以由一个想法重新激活。例如，当我们周围没有牛的时候，这一过程可以使我们的大脑中浮现一头奶牛的形象，形成奶牛概念的相关感知早已经联系在一起了。赫布认为，婴儿主要是以“联想”的方式学习，在神经之间建立联结，形成细胞集合和相位序列。成年人已经做了许多这样的工作，并通过上述过程认识和理解了环境，他们的学习方式与儿童不同，主要通过创造力和洞察力来重新组合现有的细胞集合和相位序列。
神经元
1906年，意大利医生和科学家卡米洛·高尔基（Camillo Golgi，1843年—1926年）和西班牙神经学家圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔（Santiago Ramón y Cajal，1852年—1934年）发现了神经元，共同获得了诺贝尔生理学或医学奖。神经元是一种神经细胞，它们将信息作为电和化学信号传入、传出中枢神经系统（CNS）或者在中枢神经系统内部传递。感觉神经元从感觉器官到中枢神经系统传递有关环境的信息（视觉、听觉、触觉等）。运动神经元从中枢神经系统向肌肉传递信息以控制运动。在中枢神经系统中，中间神经元在脊髓和大脑中相互联接，并传递和加工信息。
人类有许多不同类型的神经元，但它们通常由一个细胞体、一个轴突（轴突是细胞体的一个较长的延伸，人类的轴突能延伸至1米长）和树突（轴突的分叉）组成。一个神经细胞可能有数百个树突，它们使一个神经元能够与许多其他神经元联接。神经元之间的联接发生在突触上，突触之间有微小的间隙，化学物质在间隙中将信号从一边传递到另一边。人类的大脑中有85亿~100亿个神经元，而突触的数量可能是神经元的1000倍。研究人员已经将大脑的神经网络模型应用到计算机系统的设计中。