นอกจากจะมีงานศึกษาตามยาวต่าง ๆ แล้ว ยังมีงานวิจัยทางจิตสรีรวิทยาเกี่ยวกับชีววิทยาของความผูกพันด้วย[151]รวมทั้งด้านการเติบโตทางสมอง (neural development)[152]พันธุศาสตร์ทางพฤติกรรม และแนวคิดพื้นอารมณ์แต่กำเนิด (temperament)[135]

โดยทั่วไปแล้วพื้นอารมณ์แต่กำเนิดและความผูกพันเป็นคนละเรื่องกัน แต่ว่าด้านต่าง ๆ ของแนวคิดทั้งสองมีผลต่อพัฒนาการระหว่างบุคคลและภายในบุคคล[135]พื้นอารมณ์แต่กำเนิดบางอย่างอาจทำให้บุคคลเสี่ยงต่อความเครียดที่เกิดจากความสัมพันธ์ที่เชื่อใจไม่ได้หรือเป็นปฏิปักษ์กับคนดูแลในชีวิตต้น ๆ[153]เมื่อไม่มีผู้ดูแลที่เข้าถึงได้หรือไวความรู้สึก เด็กบางคนปรากฏว่าเสี่ยงต่อความผิดปกติทางความผูกพัน (attachment disorder)[154]

ในการวิจัยทางจิตสรีรวิทยา ประเด็นศึกษาหลักก็คือ การตอบสนองโดยอัตโนวัติ เช่น การเต้นหัวใจหรือการหายใจ และการทำงานของสมองเขตแกนไฮโปทาลามัส-พิทูอิทารี-อะดรีนัลมีการวัดการตอบสนองทางสรีรภาพของทารกเมื่อกำลังทำเกณฑ์วิธีสถานการณ์แปลก เพื่อตรวจสอบความแตกต่างระหว่างบุคคลในพื้นอารมณ์แต่กำเนิดของทารก และขอบเขตที่ความผูกพันอาจเป็นตัวช่วยบรรเทามีหลักฐานว่า การดูแลที่ดีมีผลต่อพัฒนาการของระบบประสาทที่ควบคุมความเครียด[151]

อีกประเด็นหนึ่งก็คือบทบาทของปัจจัยทางกรรมพันธุ์ต่อรูปแบบของความผูกพัน ยกตัวอย่างเช่น ภาวะพหุสัณฐานของการเข้ารหัสของยีนตัวรับโดปามีน D2 สัมพันธ์กับความผูกพันแบบวิตกกังวล และของยีนตัวรับเซโทนิน 5-HT2A สัมพันธ์กับความผูกพันแบบหลีกเลี่ยง[155]ซึ่งแสดงว่า อิทธิพลของการดูแลของแม่ต่อความผูกพันแบบมั่นใจ/ไม่มั่นใจของเด็กไม่ใช่เหมือนกันทุกคนมีนักวิชาการที่เสนอว่า มันเป็นเรื่องสมเหตุสมผลทางชีวภาพที่เด็กจะได้รับอิทธิพลจากการดูแลในระดับต่าง ๆ กัน เพราะความต่าง ๆ กันเหล่านี้สามารถมองได้ว่าเป็นการปรับตัวที่ให้ผลบวกทางสังคมและทางกายภาพโดยขึ้นอยู่กับสิ่งแวดล้อมทางสังคม ที่ต่าง ๆ กัน[156][157]