Cada función mental consciente e inconsciente es el resultado de la comunicación eléctrica entre las neuronas del cerebro humano. No es posible registrar de un modo no invasivo la actividad eléctrica relativa a cada neurona, sin embargo la técnica de EEG es capaz de medir las fluctuaciones de voltaje o potencial eléctrico sobre el cuero cabelludo causadas por la actividad eléctrica concomitante de una población de neuronas. Estas fluctuaciones de voltaje pueden ser caracterizadas en términos de contenido espectral (bandas o ritmos EEG) o de características en el dominio del tiempo (Potenciales Evocados y Potenciales Relacionados con Eventos).

La actividad eléctrica cerebral espontánea (comunmente denominada "ondas cerebrales") de una área particular del cerebro en una banda particular puede ser asociada con procesos cognitivos específicos (p.ej. memorización, toma de decisiones, …) y estados mentales (p.ej. carga mental, fatiga, cansancio, …). El análisis de Potenciales Evocados (EP) consiste en medir la actividad sincrónica de la EEG con la presentación de un estímulo externo de diversos tipos (visual, acústico o somatosensorial). Los Potenciales Relacionados con Eventos (ERPs) se refieren a respuestas de EEG sincrónicas con procesos más complicados de estímulos externos.

La técnica de EEG es a menudo utilizada para diagnosticar la epilepsia, que causa anomalías en las ondas de la EEG. Es también empleada para diagnosticar desordenes del sueño, coma, encefalopatía y muerte cerebral. En general, la técnica de EEG suele ser la primera en utilizarse en las pruebas médicas sobre el cerebro humano, gracias a su no peligrosidad para el paciente, comparada con la Tomografía Computerizada (CT), es relativamente barata y no incómoda, comparada con la Resonancia Magnética (MRI), y tiene una gran resolución temporal (en milisegunos) no obtenible con CT o MRI.

Además de las aplicaciones médicas, gracias a sus ventajas, la técnica de EEG es ampliamente empleada en la investigación en neurociencia, psicología cognitiva, psicofisiología y neuroergonomía.