Vùng tiếp giáp giữa thùy đỉnh và thùy thái dương (TPJ-temporoparietal junction) có chức năng tập hợp dữ liệu thu thập từ các giác quan, tạo ra nhận thức về cơ thể của mỗi người. Khi TPJ bị tổn thương, nó sẽ tạo ra "trải nghiệm ngoài cơ thể" như nhiều người kể lại trong trạng thái chết lâm sàng. Giới khoa học cũng có thể tái tạo hiện tượng này mà không cần khiến người tham gia phải tiến gần tới cái chết, bằng cách kích thích điện vào vùng não TPJ.
Theo nghiên cứu tiến hành vào năm 2010 với những bệnh nhân đau tim, có thể tồn tại mối liên hệ giữa trải nghiệm cận tử và nồng độ CO2 trong máu. Trong số 52 người mắc bệnh tim, 11 trường hợp báo cáo trải qua cận tử. Nồng độ CO2 trong máu của 11 người này cao hơn đáng kể so với những người còn lại. Theo các chuyên gia, nồng độ CO2 dư thừa trong máu tác động đáng kể đến thị lực, khiến bệnh nhân nhìn thấy đường hầm và ánh sáng chói lòa, kèm theo cảm giác an lạc.
Khi thiếu oxy, bộ não có thể tạo ra ảo giác và cảm giác hưng phấn. Các nhà khoa học tin rằng, người trải qua giảm giác cận tử có lượng oxy thấp hơn trong suốt thời gian tim ngừng đập, máu không được vận chuyển lên não. Đây là một trong những nguyên nhân tạo ra ảo giác "nhìn thấy toàn bộ cuộc đời hiện ra trước mắt", hoặc đến một nơi có bạn bè và người thân đã qua đời ở xung quanh.
Nhà nghiên cứu về thần kinh Daniel Carr cho biết, việc não sinh ra các chất giống morphine, chẳng hạn như endorphin, vào thời điểm cận kề cái chết khiến con người có cảm giác bình tĩnh, không sợ hãi hay lo lắng.
Một nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng tri giác ngoại cảm có thể được tạo ra do sự gia tăng đáng kể mức độ hoạt động của não ở những khoảnh khắc trước khi chết. Các nhà khoa học cấy điện cực vào não chuột để nghiên cứu mức độ hoạt động của não trước cái chết và nhận thấy rằng, những con chuột trong thí nghiệm trải qua trạng thái gọi là hyperconsciousness, khiến giác quan hoạt động mạnh mẽ hơn. Hoạt động có ý thức cao hơn rất nhiều sau khi tim ngừng đập trong 30 giây đầu tiên.
Nhiều trải nghiệm cận tử bên ngoài cơ thể có thể là do nhận thức trong lúc gây mê thông qua ký ức giả, thường xảy ra với tỷ lệ 1/1.000 bệnh nhân. Pam Reynolds trải qua ca phẫu thuật não. Thông tin trên điện não đồ xác nhận trong một vài phút, cả não và cơ thể của Reynolds ngừng hoạt động. Tuy nhiên sau phẫu thuật, cô có thể mô tả hình dạng của chiếc cưa dùng để mở hộp sọ. Trường hợp này có thể cung cấp bằng chứng rõ ràng về trải nghiệm cận tử, nhưng tất cả mọi thứ Reynolds nhớ lại đều xảy ra trong trạng thái nhận thức gây mê.
Nhà giải phẫu thần kinh Eben Alexander từng viết sách và mô tả chi tiết những trải nghiệm cá nhân lúc cận kề cái chết. Ông rơi vào trạng thái hôn mê một tuần do bệnh viêm màng não. Theo miêu tả của Alexander, trạng thái cận tử xảy ra vài ngày, trong lúc vỏ não của ông ngừng hoạt động do tình trạng hôn mê. Tiến sĩ Oliver Sacks thuộc Đại học New York, Mỹ, giải thích về trường hợp trên như sau: "Một hành trình ảo giác với ánh sáng và xa hơn nữa, một trải nghiệm cận tử (NDE) toàn diện, có thể xảy ra trong 20 hoặc 30 giây, dù nó có vẻ kéo dài hơn nhiều. Trong cơn khủng hoảng, khái niệm thời gian có thể thay đổi hoặc trở nên vô nghĩa. NDE của Alexander xảy ra không phải trong lúc hôn mê và vỏ não của ông vẫn đang hoạt động với đầy đủ chức năng".
Những người trải qua trạng thái cận tử cho biết mọi thứ khi ấy diễn ra đều rất thật và điều họ cảm nhận là chắc chắn không phải là ảo giác. Theo Oliver Sacks: "Lý do cơ bản khiến ảo giác có vẻ rất thật là chúng hoạt động dựa trên những hệ thống trong não giống vùng hoạt động của nhận thức thực tế. Khi có ảo giác giọng nói, con đường thính giác được kích hoạt. Khi có ảo giác gương mặt, vùng khuôn mặt hình thoi (Fusiform Face Area- FFA), vùng nhỏ bên não phía sau tai có chức năng cảm nhận và nhận diện khuôn mặt trong môi trường, bị kích thích".
Hội chứng động kinh thuỳ thái dương là nguyên nhân khiến nhiều người nhìn thấy những cảnh tượng kỳ lạ, bao gồm cảm giác hạnh phúc và sự hiện diện của một vài thế giới khác. Người trải qua trạng thái cận kề cái chết cũng có thể trải qua chứng động kinh tương tự bên trong thùy thái dương.