Ein zentrales Element der neurowissenschaftlichen Erforschung des Bewusstseins ist die Suche nach neuronalen Korrelaten von Bewusstsein. Man versucht bestimmten mentalen Zuständen ein neuronales „Substrat“ gegenüberzustellen. Dieser Suche nach Korrelaten kommt die Tatsache entgegen, dass das Gehirn teilweise funktional gegliedert ist. Einzelne Teile des Gehirns (Areale) sind für verschiedene Aufgaben zuständig. So weiß man etwa, dass das Broca-Zentrum (bzw. die Brodmann-Areale 44 und 45) im Wesentlichen für Sprachproduktion zuständig sind. Schädigungen dieser Region führen folglich auch zu einer Sprachproduktionsstörung, der sogenannten Broca-Aphasie. Aktivitätsmessungen während aktiver Sprachproduktion zeigen eine dementsprechend erhöhte Aktivität in dieser Region. Und die elektrische Reizung dieses Areals kann zu vorübergehenden Sprachproblemen führen. Allerdings sind Zuordnungen von mentalen Zuständen und Hirnregionen gewisse Grenzen gesetzt, da Reize immer in mehreren Hirnregionen gleichzeitig verarbeitet werden. Die Zuordnungen zu einzelnen Hirnregionen haben daher meist einen eher heuristischen Wert.

Die Unterscheidung von neuronalen Korrelaten des Bewusstseins von unbewusster Gehirnaktivität kommt der Frage gleich, weshalb manche neuronalen Prozesse zur Bewusstwerdung eines Sinnesreizes oder eines internen Zustandes führen und andere nicht. Während tiefen Schlafs, einer Narkose oder einigen Arten von Koma und Epilepsie, zum Beispiel, sind weite Teile des Gehirns aktiv, ohne von bewussten Zuständen begleitet zu werden. Ebenso scheint die neuronale Aktivität des Kleinhirns nur wenig zum bewussten Erleben beizutragen, obgleich die Anzahl der dort lokalisierten Neurone die des Großhirns noch übersteigt.

In den vergangenen Jahren nahm die Wahrnehmungsforschung eine dominierende Position innerhalb der neurobiologischen Grundlagenforschung des Bewusstseins ein. Einige visuelle Illusionen etwa erlauben es, zu untersuchen, wie das bewusste Erleben der Sinneswelt mit den physikalischen Vorgängen der Reizaufnahme und -verarbeitung zusammenhängt. Ein Paradebeispiel hierfür ist das Phänomen der binokularen Rivalität, bei dem ein Beobachter nur eines von zwei gleichzeitig präsentierten Bildern bewusst wahrnehmen kann. Die neurowissenschaftliche Erforschung dieses Phänomens hat ergeben, dass weite Teile des Gehirns von den nicht-wahrgenommenen, unbewussten Sehreizen aktiviert werden. Auch hier stellt sich die Frage, was die zur bewussten Wahrnehmung führende neuronale Erregung von unbewusster Gehirnaktivität und Reizverarbeitung unterscheidet.

Der Bestimmung bewusster Gehirnaktivität kommt zunehmend ethische und praktische Bedeutung zu. Mehrere medizinische Problemfelder, so die Möglichkeit intraoperativer Wachheit während einer Vollnarkose, die Einordnung von Koma-Patienten und der Umgang mit diesen, oder die Frage nach dem Hirntod sind hiervon direkt betroffen.