การสร้างภาพโดยวิธี fMRI ใช้เทคโนโลยีการสร้างภาพของ MRI ที่มีมาก่อน บวกกับการค้นพบคุณสมบัติของโลหิตที่สมบูรณ์ด้วยออกซิเจน การสร้างภาพสมองด้วย MRI นั้นใช้สนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงและคงที่เพื่อที่จะจัดแนวของนิวเคลียสในส่วนของสมองที่ต้องการจะศึกษา หลังจากนั้น สนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงยิ่งกว่านั้น คือสนามแม่เหล็กเกรเดียนต์ (gradient field) ก็จะถูกปล่อยเพื่อปรับให้นิวเคลียสเหล่านั้นมีระดับแม่เหล็กที่สูงยิ่งขึ้นไป และนิวเคลียสในแต่ละที่ในสมองก็จะได้รับผลต่างๆ กัน เมื่อสนามแม่เหล็กเกรเดียนต์ถูกระงับ นิวเคลียสเหล่านั้นก็กลับคืนไปสู่ภาวะเดิมอย่างช้าๆ และพลังงานที่นิวเคลียสเหล่านั้นปลดปล่อย ก็จะถูกวัดด้วยขดลวดเพื่อบันทึกตำแหน่งและพิกัดของนิวเคลียสเหล่านั้น ดังนั้น ภาพที่ทำด้วย MRI จึงเป็นภาพนิ่งของโครงสร้างของสมอง ส่วนวิวัฒนาการที่สำคัญของ fMRI ก็คือการขยายสมรรถภาพของ MRI ให้บันทึกความเปลี่ยนแปลงในสมองที่เกิดจากการทำงานของเซลล์ประสาท การตรวจพบความเปลี่ยนแปลงนั้นเป็นไปได้ก็เพราะปฏิกิริยาต่อสนามแม่เหล็กที่ต่างกันระหว่างโลหิตแดง (สมบูรณ์ด้วยออกซิเจน) และโลหิตดำ (ขาดออกซิเจน)[5]

รู้กันมาตั้งแต่คริสต์ทศวรรษ 1890 แล้วว่า ความเปลี่ยนแปลงของการเดินโลหิตและระดับออกซิเจนของโลหิตในสมอง (เรียกรวมๆ กันว่า hemodynamics) มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับการทำงานของเซลล์ประสาท[6] เมื่อเซลล์ประสาททำงาน การเดินโลหิตเฉพาะที่ที่ไปสู่สมองเขตนั้นก็เพิ่มขึ้น และโลหิตที่สมบูรณ์ด้วยออกซิเจนก็เข้าไปแทนที่โลหิตที่ขาดออกซิเจนประมาณ ๒ วินาทีหลังจากเซลล์เริ่มทำงาน การเพิ่มขึ้นของการเดินโลหิตนั้นถึงจุดสูงสุดในช่วงเวลา 4-6 วินาที ก่อนที่จะลดลงไปสู่ระดับเดิม (และโดยปกติแล้วจะลดลงไปถึงระดับที่น้อยกว่าระดับเดิม) ส่วนออกซิเจนนั้นถูกขนส่งไปโดยโมเลกุลเฮโมโกลบินในเม็ดเลือดแดง แต่เฮโมโกลบินที่ขาดออกซิเจน (Deoxygenated hemoglobi, ตัวย่อ dHb) นั้นมีระดับแม่เหล็กที่สูงกว่าเฮโมโกลบินที่สมบูรณ์ด้วยออกซิเจน (oxygenated hemoglobin, ตัวย่อ Hb) ที่จริงๆแล้ว ไม่ถูกดึงดูดเพราะสนามเหล็ก (คือมีคุณสมบัติเป็นไดอะแมกเนติก[7]) ความแตกต่างกันนี้ทำให้เกิดสัญญาณแม่เหล็กที่แตกต่างกัน เนื่องจากว่าโลหิตที่เป็นไดอะแมกเนติกเข้าไปรบกวนสนามแม่เหล็กของเครื่อง MRI น้อยกว่า ความแตกต่างนี้ทำให้รู้ถึงตัวเซลล์ประสาทที่กำลังทำงานอยู่ในช่วงเวลาหนึ่ง[8]