FMRI baserer seg på at oksygenert og ikke-oksygenert hemoglobin (som finnes i røde blodlegemer) har forskjellige paramagnetiske egenskaper og derfor gir ulikt signal på et MR-bilde. Dette er den såkalte BOLD-effekten (). Når nevroner i hjernen er aktive (sender signaler), forbruker de oksygen. Forskjellen i oksygenert blodgjennomstrømning blir derfor en indirekte indikator på endret nevral aktivitet i hjernen. Ved å subtrahere MR-bilder (hele tredimensjonale volumopptak voxel for voxel) som er tatt under aktivert tilstand (for eksempel mens forsøkspersonen skal utføre en mentalt krevende oppgave) fra bilder som er tatt mens forsøkspersonen ikke utfører noen oppgaver, vil man altså legge til grunn at differansen i aktivering mellom stimulert og ikke-stimulert tilstand gjenspeiler aktivering indusert gjennom denne oppgaven.