心理揣测的神经基础，即所涉及的脑区、脑区环路及神经机制尚未研究清楚，但一些脑区在心理揣测实验中发现被重复激活。在健康被试的各种心理揣测任务中，腹内侧前额叶(ventromedial prefrontal cortex, vmPFC)、双侧颞顶联合区(Temporo-parietal Junction, TPJ)和楔前叶(Precuneus)等脑区一直发现被激活。
Schurz 等人[36]元分析了来自 73 个心理揣测影像学研究的 757 个
激活点，涉及 1241 名参与者，他们的元分析包含六个不同的任务组：错误信念与照片、特质判断、策略游戏、社交动画、眼睛中的思维和理性行动。他们发现在所有任务组中 mPFC 和双侧后 TPJ 都被激活。在错误信念与照片故事任务组中，他们发现 TPJ、顶下小叶（Inferior Parietal Lobule，IPL）、楔前叶、后扣带回、mPFC 连接簇 3 和 4、mPFC腹侧部分、前扣带回（Anterior Cingulate Cortex，ACC）、右前颞叶和岛叶相邻部分被激活。
Molenberghs 等人[37]对 144 个数据集（涉及 3150 名参与者）进行了一系列的激活似然估计（ALE）荟萃分析，以探讨与特定类型的 ToM 任务有关的大脑区域。就共性而言，在内侧前额叶皮质和双侧颞顶交界处发现了一致的激活。
Schurz 和 Perner[38]回顾了 9 个关于心理揣测在大脑中如何实现 的最新神经认知理论，并根据最近由 RN111 进行的 meta 分析的结果 对它们进行了评估。根据认知过程与大脑某些区域相关的理论，他们 推断出不同类型的 ToM 任务应该涉及哪些区域。这些脑区包括 mPFC、后颞上沟 (posterior Superior Temporal Sulcus, pSTS)、TPJ 和 IPL。