我们很难精确地了解濒死体验的神经系统活动，因为大脑可能会因多种纷繁复杂的方式受到损伤。此外，当患者躺在核磁共振扫描仪内或头皮被电极覆盖时，也不会恰好产生濒死体验。
不过，通过研究心脏骤停，我们或可以对濒死体验时发生的情况有一些了解。此时，患者没有死亡，可以通过心肺复苏来恢复心脏跳动。现在，死亡的鉴定标准还包括大脑功能出现了不可逆转的丧失。当大脑缺乏血流（缺血）和氧气（缺氧）时，病人不到一分钟就会晕倒，而他的脑电图会变成等电位，即脑电图是平的。
这意味着在大脑皮层（大脑的最外层）中，大规模、遍布各处的脑电活动已经停止。就像一个逐渐断电的小镇，一个街区接一个街区断电，大脑的局部区域一个接一个地停止工作，然而思维仍然会在尚未停止活动的神经元支持下，继续运作：根据个人的经历、记忆和文化背景，继续在大脑中讲故事。
在这种“断电”情况下，大脑的经历也构成了濒死体验中奇怪而特殊的主要内容。但对经历过的人来说，濒死体验和大脑在正常清醒时产生的任何感知一样真实。当整个大脑因为完全“断电”而停止工作时，思维和意识就会消失。而当供血和供氧恢复正常时，大脑就会重新启动，并重新恢复日常的功能。
科学家用仪器记录了一些受到高强度训练的人丧失意识和随后恢复意识的过程，并对此进行了仔细研究。他们所描述的现象包括出现隧道视觉和亮光；感觉从部分或完全麻痹的睡眠中醒来；感觉在平静地漂浮或灵魂出窍；感到愉悦甚至狂喜；出现短暂但强烈的梦境，往往包括与家人的对话，多年后仍历历在目。
濒死体验特殊的本质，也决定了科学家无法在严格对照的实验条件下研究这一经历，但这种情况也许会改变。例如，我们或许可以通过小鼠实验研究这一现象中的某些方面。
