大脑负责逻辑推理的主要区域是前额叶皮层，尤其是背外侧前额叶皮层和腹外侧前额叶皮层。逻辑推理还涉及顶叶、颞叶以及基底神经节等脑区的协同作用。
前额叶皮层是大脑进行高级认知功能的核心区域，其中背外侧前额叶皮层负责工作记忆和抽象推理，腹外侧前额叶皮层则与规则学习和决策制定密切相关。该区域损伤可能导致计划能力下降、逻辑思维混乱等症状。神经影像学研究显示，解决数学问题或复杂策略游戏时，前额叶皮层活动显著增强。
顶叶特别是下顶叶区域在空间推理和数字处理中起关键作用，其与前额叶形成功能网络共同完成逻辑分析。该区域帮助整合感官信息并建立因果关系，损伤后可能出现空间定向障碍或数学运算困难。脑电图研究表明，几何证明题会同时激活顶叶和前额叶区域。
基底神经节通过皮质-基底节-丘脑环路参与程序性学习和自动化推理过程。其在模式识别和快速决策中发挥作用，帕金森病患者常表现出逻辑任务执行速度减慢。功能核磁共振显示，熟练棋手下棋时基底神经节活动比新手更活跃。
颞叶前部与语义记忆和概念形成相关，为逻辑推理提供知识储备。该区域损伤可能导致类比推理能力缺陷，阿尔茨海默病早期常出现此类症状。神经心理学测试发现，颞叶萎缩会影响复杂命题的理解能力。
前扣带回皮层负责冲突监测和错误检测，在逻辑推理中起质量把控作用。当出现矛盾前提时该区域激活显著，确保推理过程的准确性。注意力缺陷多动障碍患者此区域功能异常可能导致逻辑跳跃现象。
保持逻辑思维能力需要多脑区协同训练，可通过数独、策略游戏等针对性练习强化神经连接。均衡摄入富含欧米伽3脂肪酸和抗氧化物质的食物有助于维持脑细胞健康，规律有氧运动能促进脑区血流灌注。建议每天进行半小时阅读或棋类活动，避免长期熬夜导致前额叶功能抑制。若出现持续性的逻辑混乱或判断力下降，应及时进行神经心理学评估。
