ปัจจุบันวิชาประสาทวิทยาศาสตร์ได้แบ่งการศึกษาเป็นสี่สาขาใหญ่ ๆ คือ

• ประสาทวิทยาศาสตร์ระดับโมเลกุล และระดับเซลล์ - โดยหลักการแล้ว ไม่มีความแตกต่างระหว่างสองระดับนี้ทางชีววิทยาของสมองและอวัยวะอื่น ๆ แต่ระบบประสาทนั้นมีความแตกต่างจากอวัยวะอื่น ๆ ในร่างกายทั้งในระดับโมเลกุลและระดับเซลล์ นักวิทยาศาสตร์จึงจัดสาขาวิชานี้แยกจากวิชาชีววิทยาระดับโมเลกุลและระดับเซลล์ทั่วไป
• ประสาทวิทยาศาสตร์การเจริญเติบโต - สาขาวิชานี้เกี่ยวกับวิธีการที่ระบบประสาทซึ่งพัฒนามาจากเนื้อเยื่อส่วนเอกโตเดิร์มของเอ็มบริโอมีการจัดระเบียบจนกลายเป็นระบบประสาทของสัตว์โตเต็มวัย มีการใช้สัตว์ต่าง ๆ เป็นโมเดลในการศึกษาการเจริญเติบโตของระบบประสาท อันได้แก่ แมลงหวี่ (Drosophila melanogaster) , ปลาม้าลาย (Danio rerio) , ลูกอ๊อดของกบ (Xenopus laevis) และหนอนตัวกลม (Caenorhabditis elegans) ฯลฯ
• ปริชานประสาทวิทยาศาสตร์ และประสาทวิทยาศาสตร์ระบบ (systems neuroscience) - สองสาขาวิชานี้เกี่ยวกับการอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างจิตใจ (mind) กับสมอง วิธีการหลัก ๆ ที่ใช้ในการศึกษา คือ เทคนิคการถ่ายภาพการทำงาน (functional imaging) , การวัดระดับของ action potentials และการวิเคราะห์พฤติกรรมอย่างละเอียด
• ประสาทชีววิทยาของโรคต่าง ๆ - สาขาวิชานี้เกี่ยวข้องโดยตรงกับการศึกษาวิจัยทางคลินิกในการค้นหาวิธีการรักษาโรคต่าง ๆ ของระบบประสาท

คำว่า ประสาทวิทยาศาสตร์ (neuroscience) มักใช้ในการพูดถึงสาขาวิชาที่เกี่ยวข้องกับการศึกษาระบบประสาท (nervous system) อาจจะกล่าวได้ว่า จิตวิทยา (psychology) จริง ๆ แล้วเป็นสาขาย่อยของประสาทวิทยาศาสตร์ แต่นักทฤษฎีจิต-ร่างกายโต้แย้งคำกล่าวนี้ คำว่า ประสาทชีววิทยา​ (neurobiology) สามารถนำมาใช้แทนคำว่าประสาทวิทยาศาสตร์ เฉพาะการศึกษาที่เน้นการศึกษาทางชีววิทยาของระบบประสาท อย่างไรก็ตามความจำกัดความของสองคำนี้ก็ยังคลุมเครืออยู่

สาขาวิชาที่เกี่ยวข้องและคาบเกี่ยวกับประสาทวิทยาศาสตร์

• Aphasiology
• การถ่ายภาพสมอง (Brain imaging)
• Computational neuroscience
• ประสาทกายวิภาคศาสตร์ (Neuroanatomy)
• ประสาทชีวเคมี (Neurochemistry)
• ประสาทเศรษฐศาสตร์ (Neuroeconomics)
• Neuroesthetics
• Neuroethology
• Neuroheuristic
• Neurolinguistics
• ประสาทวิทยา (Neurology)
• ประสาทสรีรวิทยา (Neurophysiology)
• ประสาทรัฐศาสตร์ (Neuropolitics)
• ประสาทจิตเวชศาสตร์ (Neuropsychiatry)
• ประสาทจิตวิทยา (Neuropsychology)
• ประสาทเทววิทยา และชีวเทววิทยา (Neurotheology, also Biotheology)
• จิตเวชศาสตร์ (Psychiatry)
• จิตเภสัชศาสตร์ (Psychopharmacology)
• จิตชีววิทยา หรือชีวจิตวิทยา (Psychobiology, also Biopsychology, also Biological psychology)
• ประสาทวิทยาวิวัฒนาการ (Evolutionary neuroscience)
• Neurogenomics
• Neurophenomenology
• ประสาทจริยศาสตร์ (Neuroethics)
• Neuroprosthetics