La condizione è stata associata a un'aumentata attività della corteccia peririnale, a differenza della sindrome di Capgras, dove l'attività è ridotta; le due sindromi appaiono antitetiche tra loro, essendo la sindrome di Fregoli associata a un'iperidentificazione e quella di Capgras a un'ipoidentificazione. Appare inoltre correlata soprattutto a disfunzioni dell'emisfero cerebrale sinistro, mentre altre aree coinvolte sembrano essere il giro fusiforme e il giro paraippocampale del sistema limbico.