Centra su atención en el estudio de la estructura del sistema nervioso y en particular en el establecimiento de divisiones entre las distintas partes que lo componen. La investigación neuroanatómica ha establecido uno de sus principales focos de interés en el modo en que dichas regiones cerebrales están interconectadas entre sí. La observación externa del cerebro nos proporciona una visión superficial que resulta insuficiente.
El error de la concepción frenológica, que defendía que el tamaño de determinadas regiones cerebrales podría relacionarse con el mayor desarrollo de cualidades intelectuales, podría deberse a la falta de técnicas de observación adecuadas. Así, han aparecido las técnicas de tinción celular (TTC), en combinación con los avances de la microscopía.
Los métodos de tinción de tejido nervioso como el descubierto por Golgi permitió establecer la existencia de estratificación en capas de las células que conforman la corteza cerebral. Métodos más recientes han permitido verificar la relación entre la existencia de determinados patrones citoarquitectónicos y el desempeño de diferentes funciones cognitivas. La técnica de Golgi mejorada permitió a Santiago Ramón y Cajal descubrir que las neuronas eran unidades independientes interconectadas entre sí (Teoría conexionista del cerebro).
También la investigación neuroanatómica se centra en el modo en que dichas regiones cerebrales están interconectadas entre sí, permitiendo establecer mapas de conectividad entre las regiones cerebrales. Para ello se emplean principalmente dos tipos de trazadores químicos: trazadores retrógrados que permiten localizar el soma del que procede un determinado axón, por ejemplo: Peroxidasa de Rábano; y trazadores anterógrados, que son capaces de recorrer el camino inverso -desde el soma hacia el axón-.
Técnicas de microscopía óptica y electrónica. Las muestras de tejido nervioso necesitan de una técnica de preparación, que empieza por la fijación del tejido a analizar mediante la inmersión sucesiva en alcoholes de distinta densidad (formalina) para deshidratarlo y evitar que se deteriore. Posteriormente se prepara con parafina que ayuda a conservarlo a la vez que facilita el corte en secciones micrométricas de la muestra (ello facilita su observación al trasluz), para lo cual se utiliza el micrótomo. Posteriormente se fija mediante un adhesivo a un portaobjetos de cristal.