有神经学家在20世纪80年代初指出，“濒死体验”有典型的边缘叶（指大脑的一个部位）综合征特点，因而可以通过大脑中脑内啡和脑啡肽的释放来解释。有神经学家1983年提出，脑内啡的释放可造成充满喜悦或情感的“濒死体验”，而烯丙羟吗啡酮会产生“地狱一般的‘濒死体验’”。第一个正式的“濒死体验”神经学模型于1987年提出，它包括脑内啡、大脑边缘系统的神经传导因子和其他大脑部分。
　　1989年，神经学家提出了“濒死体验”的神经生理模型，认为血清素在产生“濒死体验”方面起了重要作用。研究发现，一种麻醉剂——氯胺酮能诱导“濒死体验”。通过静脉注射一定剂量的氯胺酮，能产生“濒死体验”的一切常见内容。20世纪90年代，神经学家对致幻剂二甲基色胺进行了研究，并且提出一种假设：人死前或濒死状态下的大脑松果体大量释放二甲基色胺，是“濒死体验”现象的成因。
　　2006年，有科学家通过心血管干预，致使42名健康志愿者出现昏厥。事后，这些志愿者报告了看见光、隧道、遇见故去亲人和造访其他世界等“濒死体验”内容。2008年，有神经学家提出，临床死亡者的“濒死体验”是由大脑严重失灵（由大脑血液循环停止引起）造成的精神机能障碍综合征。还有研究显示，血液中碳酸过多（高碳酸血症）能诱导诸如光线、视觉和神秘体验之类的“濒死体验”症状。也有神经学家提出，“濒死体验”是由脑缺氧、药物或脑损伤引起的幻觉。
　　美国乔治·华盛顿大学麻醉学家卓拉及其团队认为，“濒死体验”是由于死前大脑氧耗尽而造成的电活动猛增引起的。猛增程度与意识完全的人相似，但前者的血压低得无法探测，却照样能产生生动的图像和感觉。大脑活动的逐渐丧失出现在死前大约1小时内，并且被持续时间为30秒到3分钟的大脑活动迸发所中断。卓拉团队对7名濒死患者进行的研究发现，患者大脑电活动的增加发生在血压已经探测不到之时，他们的“濒死体验”可能是对突触记忆总内存的回忆，与临终却潜在可逆的血氧不足有关。2010年发布的一项研究说，“濒死体验”的根源是，血液中的高浓度二氧化碳改变了大脑的化学平衡，从而让大脑“看见”事物。
　　“濒死体验”患者的大脑左颞叶活动会增加。刺激颞叶已知能诱导幻觉、“灵魂出窍”和记忆闪回。在对一名患者的实验中，电刺激左颞叶顶交界区，导致患者出现另一个人靠近她的幻觉。2011年，著名杂志《科学美国人》刊登的一篇文章下结论说，“科学证据表明，‘濒死体验’的所有特征都有着正常大脑功能出错的根基。”
　　一些学者声称，一部分“濒死体验”案例是在脑电图仪呈现平线（即大脑不再发挥功能的情况下）发生的。但也有学者注意到，脑电图并不是大脑死亡的一个可靠指针，因为它只能探查大脑皮层的一半的活动，而对更深的大脑皮层结构是观测不到的。
　　不少经历过“濒死体验”的人，把它看作是“死后生命”（“来世”）或“死后意识”存在的证据。唯心论者声称，“濒死体验”是“非物质化的意识”或“灵魂”与肉体分开而独立存在的证据。但唯物论学者指出，尽管大脑损伤、颅内缺氧或高碳酸血症等生理因素不足以解释“濒死体验”的全部本质，但这却并不能推翻只有活的人体才能产生意识的科学结论，唯心论是根本站不住脚的。
　　对唯心论持否定态度的科学家指出，迄今没有足够证据支持死亡后存在生命的说法。但有研究发现，即便在人事不省期间，大脑也依然能记录感觉印象。例如，在1983年进行的一项实验中，科学家用一份词汇表的录音带测试一组被麻醉患者的记忆力。在身体康复后，这些患者能以明显高出偶发比例的占比，识别哪些单词在当时播放给他们的词汇表中出现过。科学家对此的解释是，就算是在全麻醉状态下，大脑也仍然保留一部分储存新信息的能力，“濒死体验”中伴随“视觉”的“听觉”内容，很可能与此有关。
　　不相信“死后意识”和“来世”的科学家还指出，对临床死亡患者的大脑完全停止活动的推断，以及对濒死体验形成于大脑死亡后的推断，都是站不住脚的。实际上，在患者接受心脏复苏尝试期间，大多数脑部活动是不会进行的，因为这要花去太多的抢救生命所需时间。所以有一种可能性是，即便脑电图显示平线（即患者已经脑死亡），患者却依然有大脑活动，而这些活动通过功能性磁共振成像、正电子发射X射线层析照相术或电脑辅助断层扫描仪，是可以探查到的，这是因为——除非通过外科手术直接接入大脑，否则脑电图仪主要测量的是大脑皮层表面活动。
　　總之，主流科学界至今尚不支持所谓“死后意识”，更不认同“灵魂”的存在。实际上，虽然科学界对意识指针、死亡标准和“濒死体验”等概念仍有争议，但主流观点依然是物质决定意识，没有生命就没有意识。