Hjärnan och kognitionsvetenskapen är sammankopplade eftersom kognitiv vetenskap är den tvärvetenskapliga studien av sinnet och intelligens och hjärnan är den fysiska och biologiska basen för sinnet och intelligensen. Hjärnans funktion har alltid varit ett mysterium men tekniska framsteg som bildbehandling har lett till en bredare förståelse för vad som händer i hjärnan under processer som tänkande, minne och bearbetning av sensoriska input. Dessa processer leder till kognitiva förändringar. Relationen mellan hjärnan och kognitionsvetenskapen är biologisk, psykologisk och fysiologisk.
Kognitionsvetenskap är en relativt ny disciplin som består av discipliner som psykologi, filosofi, antropologi, neurovetenskap, sociologi och utbildning. Det är den vetenskapliga studien av vad kognition är, hur information bearbetas och de effekter som processen har på beteendet. På grund av sofistikerad hjärnavbildning är det nu möjligt att analysera aktivitet i hjärnan medan den utför olika kognitiva uppgifter. Beteende kan kopplas till fysiologisk hjärnfunktion vilket i sin tur leder till en bättre förståelse för hur information bearbetas.
Den disciplin som är mest angelägen om hjärnan och kognitionsvetenskapen är kognitiv neurovetenskap. Detta handlar om den vetenskapliga studien av den biologiska grunden för kognition, särskilt de nervbanor för mental bearbetning. I grund och botten är målet med kognitiv neurovetenskap att beskriva hur hjärnan skapar sinnet och målet med kognitiv vetenskap är att studera sinnet. Det är ingen slump att kognitiv vetenskap, kognitiv neurovetenskap och mer sofistikerade hjärnavbildningstekniker kom till nästan samtidigt. Ett ämnesområde kan bara klassas som en vetenskap när det går att mäta och det är först genom tekniska framsteg som detta blev möjligt.
Många av de principer man lärt sig från att studera hjärnan och kognitionsvetenskapen tillämpas på områden som utbildning, artificiell intelligens och psykoanalys. Många av hjärnans funktioner är fortfarande okända men det som har blivit känt har förändrat mycket av det som man trodde var sant. Till exempel ansågs det en gång i tiden vara ett faktum att hjärnan slutade utvecklas någon gång i mitten av tonåren, men man vet nu att hjärnan fortsätter att utvecklas efter 20 års ålder. Man har också upptäckt att intag och bearbetning av information bestäms av en kombination av biologiska, kognitiva och psykosociala faktorer snarare än bara en faktor med uteslutande av de andra. Viktiga insikter har erhållits inom så olika områden som inlärningsstörningar som dyslexi, språkinlärningsprocessen, beteendeekonomi och kognitiv fördom och riskuppfattning.