思维是人脑对客观事物的本质属性和规律的间接的、概括的反映。那么，人的思维在头脑里是怎样活动的呢？这是科学家们一直非常关心的问题，为此展开了深入的研究，提出了各种观点。
第一种观点是俄国杰出的心理学家巴甫洛夫提出来的。巴甫洛夫在研究条件反射时，也系统研究了思维的生理机制问题。巴甫洛夫提出了两种信号系统的学说，认为人类的高级神经活动就是两种不同的信号作用所建立的条件反射系统的活动。凡是以具体刺激物作为信号刺激而建立起来的暂时神经联系系统，称之为第一信号系统。它是感觉、知觉和表象的生理机制。凡是以词为信号刺激而建立起来的暂时神经联系系统，称为第二信号系统。第二信号和第二信号系统是人所特有的。人类有了第二信号，就可以实现以第一信号系统为基础以第二信号系统活动为主导的两种信号系统的协同活动。借助于两种信号系统的协同活动可对事物进行多阶段的分析、综合、抽象、概括，并在大脑皮层上形成多极的、概括程度不同的暂时神经联系的锁链。这就是思维的生理机制。
第二种学说是由神经心理学的创始人、苏联心理学家亚历山大·鲁利亚提出来的。鲁利亚认为思维的活动是脑的综合活动的结果，因而提出了机能系统理论。他认为，联合脑的协同活动是思维的生理机制。任何一种思维活动都可能是一种机能系统。不同的机能系统包含着不同的多脑区的活动，各个脑区都有各自的特殊作用，由哪些脑区来参与活动也常随活动的条件的变化而变化。例如，顶枕部损伤后会对解决极简单的问题出现明显的空间障碍。一个60多岁的患者，左侧顶枕部的肿瘤手术切除以后，实验者让他用积木构成一个图形，他长时间看过样本后，仍然没有把握地说“和前面一样也是四块。”他一边数积木，一边看样本，仍想不出怎样摆才好，当摆来摆去还是和样本不一样时，他索性拒绝再摆下去。大脑额叶损伤的患者，目的计划性失调，控制能力减弱，解决问题的能力严重损坏。在各种言语思维场合也表现出重大障碍，对文章的简单意义结构难以理解，对其中的隐喻和谚语之类需要转送的东西更难理解。由于他们不能提取其中的主要意义，所以复述文章内容时，总是只说片断的、毫无关联的个别事实。大脑左侧颞区损伤时，会出现短时言语听觉记忆的障碍，计算能力被破坏，计算活动产生很大的困难。
第三种观点是美国神经生理学家罗伯特·斯佩里等人提出来的。20世纪70年代以后，人们对思维生理机制的研究趋向于对大脑左右两半球不同功能的探讨。科学研究表明，人的大脑两半球机能是不完全对称的，大脑左半球同抽象思维、逻辑分析有关系，“掌管”言语、概念和计算的功能；右半球则与音乐、图形、整体映象和空间鉴别能力有关。例如，大脑左半球损伤的病人记不得医院的名称，但能分辨种种具体情境；而右半球损伤的病人，虽能说出医院的名称，却找不到自己的病房、病床，认不出熟人。实验证明，动物的大脑没有这种两半球的分工，这说明抽象思维是人类所特有的，是与语言一同产生和发展的。罗伯特·斯佩里用切开连接两半球胼胝体的方法证明大脑两半球功能的高度专门化，两半球经常是分工负责又协同活动的，右半球也有较高的功能，并非左半球的功能上占绝对的优势，为此，他获得了1981年生理学诺贝尔奖金。
上述这些研究对进一步了解大脑的高级功能和思维的奥秘都是有意义的，但思维究竟在大脑皮层上是怎样进行的，这个问题科学家还没有彻底搞清楚，还需要进一步探讨和研究。