Neurologie empatie je studium biologického základu empatie. Je to aspekt jak afektivní neurovědy, tak sociální neurovědy.
Funkční magnetická rezonance (fMRI) byla využita ke zkoumání funkční anatomie empatie. Tyto studie ukázaly, že pozorování emocionálního stavu jiné osoby aktivuje části neuronové sítě zapojené do zpracování stejného stavu v sobě, ať už jde o znechucení, dotek nebo bolest. Studium neuronových základů empatie se těší zvýšenému zájmu po cílovém článku publikovaném Prestonem a Fransem de Waalem, po objevu zrcadlových neuronů u opic, které střílejí jak když tvor pozoruje druhého, jak provádí akci, tak i když ji provádějí oni sami. Ve svém článku argumentovali, že navštěvované vnímání stavu objektu automaticky aktivuje nervové reprezentace a že tato aktivace automaticky primuje nebo generuje související autonomní a somatické reakce, pokud nejsou potlačeny. Tento mechanismus je podobný běžné teorii kódování mezi vnímáním a akcí.
V Bowerovi (2005) byla dále zkoumána funkce těchto zrcadlových buněk. Mohou souviset s uvědoměním si cílenosti akcí. Tyto neurony „mohou být zodpovědné za pochopení záměru akce u jiných lidí“, uvedli Kiyoshi Nakahara a Yasushi Miyashita, oba z Lékařské fakulty Tokijské univerzity v poznámce, která Bowerovu akci doprovází.
Dapretto a kol. (2006) zjistili, že na rozdíl od normálně se vyvíjejících dětí, vysoce funkční děti s autismem nevykazovaly žádnou zrcadlovou neuronovou aktivitu v mozkovém podřadném čelním gyru (pars opercularis) při napodobování a pozorování emocionálních projevů. Autoři naznačují, že to podporuje hypotézu, že nefunkční zrcadlový neuronový systém může být základem sociálních deficitů pozorovaných u autismu.
Součásti obvodů zapojených do empatie mohou být také nefunkční v psychopatii (Tunstall N., Fahy T. and McGuire P. in: Guide to Neuroimaging in Psychiatry, Eds. Fu C et al, Martin Dunitz: London 2003).