Ο εγκέφαλος και η γνωστική επιστήμη είναι αλληλένδετες καθώς η γνωστική επιστήμη είναι η διεπιστημονική μελέτη του νου και της νοημοσύνης και ο εγκέφαλος είναι η φυσική και βιολογική βάση του νου και της νοημοσύνης. Η λειτουργία του εγκεφάλου ήταν πάντα ένα μυστήριο, αλλά οι τεχνολογικές εξελίξεις όπως η απεικόνιση έχουν οδηγήσει σε μια ευρύτερη κατανόηση του τι συμβαίνει στον εγκέφαλο κατά τη διάρκεια διεργασιών όπως η σκέψη, η μνήμη και η επεξεργασία των αισθητηριακών εισροών. Αυτές οι διαδικασίες οδηγούν σε γνωστικές αλλαγές. Η σχέση μεταξύ του εγκεφάλου και της γνωστικής επιστήμης είναι βιολογική, ψυχολογική και φυσιολογική.
Η γνωστική επιστήμη είναι ένας σχετικά νέος κλάδος που αποτελείται από κλάδους όπως η ψυχολογία, η φιλοσοφία, η ανθρωπολογία, η νευροεπιστήμη, η κοινωνιολογία και η εκπαίδευση. Είναι η επιστημονική μελέτη του τι είναι η γνώση, του τρόπου επεξεργασίας των πληροφοριών και των επιπτώσεων που έχει αυτή η διαδικασία στη συμπεριφορά. Λόγω της εξελιγμένης απεικόνισης του εγκεφάλου, είναι πλέον δυνατή η ανάλυση της δραστηριότητας μέσα στον εγκέφαλο ενώ εκτελεί διάφορες γνωστικές εργασίες. Η συμπεριφορά μπορεί να συνδεθεί με τη φυσιολογική λειτουργία του εγκεφάλου, η οποία με τη σειρά της οδηγεί σε καλύτερη κατανόηση του τρόπου επεξεργασίας των πληροφοριών.
Ο κλάδος που ασχολείται περισσότερο με τον εγκέφαλο και τη γνωστική επιστήμη είναι αυτός της γνωστικής νευροεπιστήμης. Αυτό ασχολείται με την επιστημονική μελέτη της βιολογικής βάσης της γνώσης, ιδιαίτερα των νευρικών οδών της νοητικής επεξεργασίας. Βασικά, ο στόχος της γνωστικής νευροεπιστήμης είναι να περιγράψει πώς ο εγκέφαλος δημιουργεί το μυαλό και ο στόχος της γνωστικής επιστήμης είναι να μελετήσει το μυαλό. Δεν είναι τυχαίο ότι η γνωστική επιστήμη, η γνωστική νευροεπιστήμη και οι πιο εξελιγμένες τεχνικές απεικόνισης του εγκεφάλου εμφανίστηκαν σχεδόν ταυτόχρονα. Ένα πεδίο σπουδών μπορεί να χαρακτηριστεί ως επιστήμη μόνο όταν είναι σε θέση να μετρηθεί και μόνο μέσω τεχνολογικών προόδων κατέστη δυνατό.
Πολλές από τις αρχές που διδάχθηκαν από τη μελέτη του εγκεφάλου και της γνωστικής επιστήμης εφαρμόζονται σε τομείς όπως η εκπαίδευση, η τεχνητή νοημοσύνη και η ψυχανάλυση. Πολλές από τις λειτουργίες του εγκεφάλου είναι ακόμα άγνωστες, αλλά αυτό που έγινε γνωστό έχει αλλάξει πολλά από αυτά που πιστεύονταν ότι ήταν αληθινά. Για παράδειγμα, κάποτε θεωρήθηκε γεγονός ότι ο εγκέφαλος σταμάτησε να αναπτύσσεται κάποια στιγμή στα μέσα της εφηβείας, αλλά είναι πλέον γνωστό ότι ο εγκέφαλος συνεχίζει να αναπτύσσεται μετά την ηλικία των 20 ετών. Έχει επίσης ανακαλυφθεί ότι η πρόσληψη και η επεξεργασία Οι πληροφορίες καθορίζονται από έναν συνδυασμό βιολογικών, γνωστικών και ψυχοκοινωνικών παραγόντων και όχι μόνο από έναν παράγοντα, αποκλείοντας τους άλλους. Σημαντικές γνώσεις έχουν αποκτηθεί σε τομείς τόσο διαφορετικούς όπως οι μαθησιακές διαταραχές όπως η δυσλεξία, η διαδικασία απόκτησης γλώσσας, η συμπεριφορική χρηματοδότηση και η γνωστική προκατάληψη και η αντίληψη κινδύνου.