Empati ile ilgili nörobilim çalışmalarının çoğu diğer insanlarda ağrının gözlemlenmesi ile açığa çıkan empatik yanıtın değerlendirilmesine dayanarak yapılmıştır. Bu çalışmalarda başka birinin deneyimlediği ağrının kendimiz ağrılı iken aktive olan nöral ağın bir kısmını aktive ettiği saptanmıştır. Bu alanlar özellikle iki taraflı anterior insula, dorsal anterior singulat korteks, beyin kökü ve serebellumdur. Bu alanlar ağrının duygusal bileşenini işlemede görevlidir. Somatasensoryal işlemenin başka birinin ağrısına tanık olduğumuzda da aktive olduğu gösterilmiştir.
Beynin empati ile ilişkili alanları parasingulat korteks, ön ve arka singulat korteks ve amigdaladır. Empati, ontogenetik olarak erken gelişen limbik yapılarla ilişkili olduğu için zihin kuramına göre daha erken gelişir. Afektif cevapların kontrolünde rolü olan dorsolateral prefrontal korteksin (DLPFK) matürasyonunu (gelişimini) 25 yaşına kadar tamamlamadığı bulunmuştur. Bununla bağlantılı olarak etkili ve uygun empatik cevap vermenin tam anlamıyla geç adölesan (geç ergenlik) evrede olabileceği ileri sürülmüştür. Bu konuda yapılan araştırmalar sonucunda empatinin yalnızca psikolojik boyutu olan bir kavram olmadığı ispatlanmıştır.
Ayrıca empati konusunda popülerleşmiş bir kavram hâline gelen "ayna nöronlar" da beynin "Broca Alanı" adı verilen bölgesinde bulunur.
Ayrıntılı bilgi için kaynaklara bakınız.