Da un punto di vista sperimentale, questa misurazione viene effettuata posizionando coppie di sorgenti e detettori di luce infrarossa sullo scalpo del soggetto tramite la semplice applicazione di una cuffia elastica. Inoltre, il segnale di intensità luminosa che viene così rilevato si riferisce quasi esclusivamente alle zone più superficiali della corteccia cerebrale, in quanto relativamente alla banda spettrale del vicino infrarosso la maggior parte della luce riesce a raggiungere una profondità di circa 1.5 - 2 cm rispetto allo scalpo. A sua volta, la profondità raggiunta dipende anche dalle singole distanze fra sorgenti e detettori. L'aspetto funzionale di questa tecnica deriva invece dalla possibilità di effettuare queste misurazioni fornendo contemporaneamente stimoli di carattere motorio, cognitivo e/o sensoriale al soggetto sotto esame. Alla pari di altre tecniche di neuroimaging funzionale, il principio fisiologico che permette di correlare l'attività emodinamica misurata alle singole capacità funzionali si riferisce al fenomeno dell'accoppiamento neuro-vascolare. Questo principio infatti afferma che un'attività neurale relativa ad una specifica area cerebrale, la quale a sua volta fa riferimento a una risposta funzionale del soggetto a seguito di uno stimolo, causa un aumento locale del consumo di ossigeno ed una conseguente variazione del flusso sanguigno. In particolare, questo processo metabolico si traduce in un aumento locale dell'apporto di emoglobina ossigenata e una corrispondente riduzione di emoglobina deossigenata nell'area cerebrale deputata allo svolgimento di uno specifico compito.