Otak dan ilmu kognitif saling berhubungan karena ilmu kognitif adalah studi interdisipliner tentang pikiran dan kecerdasan dan otak adalah dasar fisik dan biologis dari pikiran dan kecerdasan. Cara kerja otak selalu menjadi misteri tetapi kemajuan teknologi seperti pencitraan telah menyebabkan pemahaman yang lebih luas tentang apa yang terjadi di otak selama proses seperti berpikir, memori dan pemrosesan input sensorik. Proses ini menyebabkan perubahan kognitif. Hubungan antara otak dan ilmu kognitif adalah hubungan biologis, psikologis dan fisiologis.
Ilmu kognitif adalah disiplin ilmu yang relatif baru yang terdiri dari disiplin ilmu seperti psikologi, filsafat, antropologi, ilmu saraf, sosiologi dan pendidikan. Ini adalah studi ilmiah tentang apa itu kognisi, cara informasi diproses dan efek proses itu terhadap perilaku. Karena pencitraan otak yang canggih, sekarang dimungkinkan untuk menganalisis aktivitas di dalam otak saat melakukan berbagai tugas kognitif. Perilaku dapat dikaitkan dengan fungsi otak fisiologis yang pada gilirannya mengarah pada pemahaman yang lebih baik tentang bagaimana informasi diproses.
Disiplin yang paling berkaitan dengan otak dan ilmu kognitif adalah ilmu saraf kognitif. Ini berkaitan dengan studi ilmiah tentang dasar biologis kognisi, terutama jalur saraf pemrosesan mental. Pada dasarnya, tujuan ilmu saraf kognitif adalah untuk menggambarkan bagaimana otak menciptakan pikiran dan tujuan ilmu kognitif adalah untuk mempelajari pikiran. Bukan kebetulan bahwa ilmu kognitif, ilmu saraf kognitif, dan teknik pencitraan otak yang lebih canggih muncul hampir bersamaan. Suatu bidang studi hanya dapat digolongkan sebagai suatu ilmu bila ia dapat diukur dan hanya melalui kemajuan teknologi hal itu menjadi mungkin.
Banyak prinsip yang dipelajari dari mempelajari otak dan ilmu kognitif diterapkan pada bidang-bidang seperti pendidikan, kecerdasan buatan, dan psikoanalisis. Banyak cara kerja otak yang masih belum diketahui tetapi apa yang telah diketahui telah mengubah banyak hal yang dianggap benar. Misalnya, pernah dianggap sebagai fakta bahwa otak berhenti berkembang pada suatu waktu di pertengahan masa remaja, tetapi sekarang diketahui bahwa otak terus berkembang melampaui usia 20. Juga telah ditemukan bahwa asupan dan pemrosesan informasi ditentukan oleh kombinasi faktor biologis, kognitif dan psikososial daripada hanya satu faktor dengan mengesampingkan yang lain. Wawasan penting telah diperoleh di berbagai bidang seperti gangguan belajar seperti disleksia, proses pemerolehan bahasa, keuangan perilaku dan bias kognitif serta persepsi risiko.