La spettroscopia risolta nel dominio del tempo ("Time Domain", TD-fNIRS) permette di misurare la distribuzione del tempo di volo dei fotoni in un mezzo diffusivo tramite l'impiego di impulsi luminosi con durata nell'ordine dei picosecondi. Di conseguenza, le informazioni relative all'attività emodinamica dei tessuti possono essere misurate sulla base del profilo di attenuazione, decadimento e andamento temporale della luce retrodiffusa. Rispetto alla FD-fNIRS, questa tipologia permette la migliore discriminazione dei coefficienti di assorbimento e scattering dei tessuti, in quanto la lunghezza del cammino dei fotoni può essere direttamente stimata dalla distribuzione stessa dei tempi di volo misurati. Questo permette inoltre di quantificare le proprietà ottiche dei tessuti a più frequenze, in quanto utilizzando impulsi luminosi di breve durata viene indagato simultaneamente un ampio spettro di frequenze. Tuttavia, data la necessità di sistemi ad alta-velocità per la rilevazione e emissione di impulsi luminosi, questa metodologia risulta essere la più costosa e complicata dal punto di vista tecnico.