תהליך המדיטציה מוביל לסדרה של שינויים פיזיולוגיים משולבים במוח. אימוני מדיטציה מסוימים משרים מצב היפו-מטבולי המאופיין בירידה של מדדים פיזיולוגיים רבים וכן בשינויים של דפוס רשם גלי המוח (EEG). השינויים הללו אינם דומים לאלה הנרשמים בזמן שינה, וזאת מכיוון שבזמן הרפיה עמוקה ישנה עלייה בפעילות הפריפרלית ועיסוק במצב מנטאלי פעיל המחייב פעילות עצבית אינטנסיבית.
בעת ביצוע פעילות מדיטציה ניתן לזהות את האזורים הפעילים במוח באמצעות מכשיר דימות תפקודי בתהודה מגנטית (fMRI). במחקרים שנעשו בתחום, תועדו סימנים מובהקים של עלייה בפעילות המוחית באזורים הבאים: הקורטקס הפריפרונטלי והקודקודית (dorsolateral), ההיפוקמפוס (parahippocampus), האונה הטמפורלית (anterior cingulate pregenual) וכן נראתה שליטה של מערכת העצבים האוטונומית.