Το πεδίο της επιστήμης του λόγου συνεπάγεται μια ολιστική εστίαση στις μελέτες της ανατομίας, της νευρολογίας και της ακουστικής. Αν και ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην εύρεση τρόπων βελτίωσης της ομιλίας για ομιλητές με ειδικές ανάγκες, ένα άλλο ευρύτερο πεδίο μελέτης είναι ο τρόπος με τον οποίο ο εγκέφαλος επεξεργάζεται τις πληροφορίες που επιλέγουν να πουν οι άνθρωποι καθώς και πώς επεξεργάζονται αυτά που λένε οι άλλοι. Το 2011, η επιστήμη της ομιλίας μόλις αποκάλυψε πώς τα ίδια μέρη του εγκεφάλου είναι υπεύθυνα τόσο για την ομιλία όσο και για την ακοή – εκτός από το τμήμα που κινεί το στόμα, τα χείλη και το διάφραγμα για να πετάξουν τις λέξεις.
Ένας κύριος στόχος οποιουδήποτε κύκλου σπουδών στην επιστήμη του λόγου είναι να κατανοήσει πώς ο εγκέφαλος αναπτύσσει την ομιλία και επεξεργάζεται την ομιλία των άλλων. Μόνο στην παραγωγή, χρειάζονται περίπου 100 μύες του προσώπου, του λαιμού και των πνευμόνων για να σχηματιστούν λέξεις κατάλληλες για ομιλία. Αυτό δεν περιλαμβάνει καν τις εγκεφαλικές λειτουργίες που απαιτούνται για τη σύνδεση όλων των ενεργειών με τη φαινομενικά μοναδική δράση της ομιλίας.
Αυτή η αρκετά απλή διαδικασία είναι το κύριο μέλημα των λογοθεραπευτών σε όλο τον κόσμο. Ο αέρας παράγεται στους πνεύμονες και πιέζεται προς τα πάνω, σχηματίζοντας γενική φωνητική μορφή στο λαιμό και το φωνητικό πλαίσιο, και στη συνέχεια ένα πιο αρθρωμένο σχήμα μέσω των συσπάσεων των μυών στο στόμα και το πρόσωπο. Οι ελαφρές στροφές σε αυτές τις μυϊκές ομάδες παράγουν τους μυριάδες ήχους και τόνους που είναι απαραίτητοι για τη γλωσσική έκφραση. Εάν κάποιος έχει υποστεί εγκεφαλικό ή γεννήθηκε με πρόβλημα ομιλίας, ορισμένοι ήχοι μπορεί να είναι δύσκολο να βγουν λόγω νευρικής βλάβης ή γενετικής κληρονομικότητας, πράγμα που σημαίνει ότι λίγοι ή αρκετοί από τους μύες που είναι απαραίτητοι για την κανονική ομιλία είναι παράλυτοι.
Ένα άλλο σημαντικό μέλημα της επιστήμης του λόγου είναι το πώς ο εγκέφαλος επεξεργάζεται την ομιλία, η οποία είναι γνωστή ως ακουολογία. Αυτό συνδυάζει επίσης σωματικές και ψυχικές διεργασίες. Η ομιλία με τη μορφή ηχητικών κυμάτων εισέρχεται στον ακουστικό πόρο του ακροατή και αναπηδά στο τύμπανο του αυτιού. Η τονική και η δονητική ενέργεια σε κάθε συγκεκριμένο ήχο μεταφράζεται στη συνέχεια στο εσωτερικό αυτί για να γίνουν νευρικά σήματα που ο εγκέφαλος μπορεί να επεξεργαστεί για να μεταφέρει νόημα.
Αν και μεγάλο μέρος της επιστήμης του λόγου ασχολείται με φυσικές διεργασίες και εξουθενωτικές παθολογικές καταστάσεις, άλλοι ερευνητές ασχολούνται εξίσου με την ακουστική του λόγου. Οι επιστήμονες της ομιλίας μελετούν επίσης τη φύση του ήχου και τον τρόπο με τον οποίο κινείται μεταξύ στόματος σε αυτί σε δέσμες δονούμενων μορίων. Το μήκος κάθε κύματος που δημιουργείται από οποιαδήποτε δεδομένη συλλαβή ή λέξη θα ποικίλλει, όπως και η δονητική του δύναμη, η οποία είναι γνωστή ως πλάτος.