У здійсненні складних процесів уяви бере участь кора головного мозку. Але складність структури уяви та її зв'язок з емоціями свідчать на користь гіпотези, що фізіологічні механізми уяви розташовані не тільки в корі головного мозку, а й у глибших відділах мозку. Такими глибинними відділами мозку, які разом з корою великих півкуль формують образи уяви і включають їх у процеси діяльності, є гіпоталамо-лімбічна система, гіпоталамус у його зв'язках з древньою корою і підкірковими ділянками, що утворюють лімб, або кордон, навкруги передньої частини стовбура мозку при вході в півкулі головного мозку.
При пошкодженні гіпоталамо-лімбічної системи в людини виникають характерні розлади психіки: її поведінка складається зі серії окремих поведінкових актів, а загальна програма, що регулює поведінку, відсутня. Отже, ушкодження захопило структури, що відповідають за планування дій людини, а, як відомо, найважливіша функція уяви - розробка програми дій, поведінки.
Деякі вчені розглядають фізіологічний механізм уяви як рух уявлень, які змінюють одне одного подібно до морських хвиль. Ці уявлення сполучуються певними асоціативними зв'язками. "Інтенсивність одного нервового сліду, досягнувши певного ступеня, починає потім знижуватися, тоді як інтенсивність другого сліду (асоціації) починає підвищуватися, і як результат цього - одне уявлення змінюється у свідомості іншим" (К.Д. Ушинський).
Тривалість уявлення (тобто тривалість його усвідомлення) залежить від часу, який необхідний для того, щоб воно прийшло в рівновагу. Впродовж цього часу рух уявлення, яке було в стані напруження, поширюється на інше уявлення (особливо яскраве, життєве), і тоді вже це останнє переходить у стан напруження.
Таке об'єднання є можливим при виникненні сильного осередку збудження (потреба, безпосереднє враження). Тому в людини з великою фантазією групи нервових клітин зв'язуються в дедалі нові й нові утворення. Від цього залежать характерна новизна в образах фантазії порівняно з образами пам'яті та їхній частковий збіг.
