Il est difficile d'étudier ce qui se passe dans le cerveau lors d'un coup de foudre car ce type de phénomène est difficile à prédire. Mais, il existe des études en imagerie cérébrale qui se sont justement intéressées depuis quelques années à expliquer, d'un point de vue de l’activité du cerveau, le sentiment d'amour qui s'installe après un coup de foudre. Ces études n’abordent, évidemment, qu’un aspect limité de la complexité du sentiment amoureux, mais sont néanmoins informatives. Typiquement, ces études présentent à des sujets qui se déclarent très amoureux des photographies du partenaire aimé, tout en enregistrant l’activité du cerveau en réponse à ces photographies (par rapport à l’activité générée par le fait de voir des photos d’amis ou d’autres personnes familières).

Ce sont alors principalement des régions impliquées dans la motivation, le plaisir et la récompense qui répondent (p.ex., le noyau caudé) avec une implication marquée de la dopamine (un neurotransmetteur impliqué notamment dans la récompense). Ainsi, même s’il n’y a pas un centre de l’amour ou du coup de foudre dans le cerveau, les chercheurs commencent tout juste à comprendre quelles sont les bases cérébrales du sentiment amoureux.