La spettroscopia risolta nel dominio della frequenza ("Frequency Domain", FD-fNIRS) impiega invece sorgenti laser modulate in ampiezza tramite sinusoidi con frequenze variabili fra l'ordine delle decine e delle centinaia di MHz. A differenza della CW-fNIRS, questa tipologia permette di effettuare tramite la rilevazione delle attenuazioni in ampiezza e lo slittamento di fase una misurazione diretta degli effetti di assorbimento e scattering dei tessuti incontrati. Di conseguenza, questa tecnica permette di ottenere a partire da questa caratterizzazione delle proprietà ottiche dei tessuti una quantificazione assoluta delle concentrazioni di emoglobina ossigenata e de-ossigenata. Data la necessità di effettuare queste misurazioni tramite sorgenti laser modulate in frequenza, i sistemi FD-fNIRS risultano più complessi in termini di realizzazione e funzionamento, nonché legati a costi maggiori, rispetto ai sistemi CW-fNIRS.