La neurociencia del libre albedrío, aparte de la neurofilosofía, es el estudio de las interconexiones entre el libre albedrío y la neurociencia. Con el avance tecnológico, se ha vuelto posible estudiar el cerebro vivo del humano, los investigadores han comenzado a observar el proceso de toma de decisiones en el trabajo. Los hallazgos traen consigo implicaciones en nuestro sentido de autonomía, responsabilidad moral y nuestra comprensión de la conciencia en general.​ Uno de los estudios pioneros en esta área fue diseñado por Benjamin Libet, mientras que otros estudios han intentado predecir las acciones de los sujetos experimentales antes de que ellos las hagan. Algunas áreas del cerebro humano implicadas en desórdenes mentales que podrían estar relacionados con el libre albedrío. El área 25 se refiere al área de Brodmann, relacionada con la depresión a largo término.
Este campo es altamente controvertido. No hay un acuerdo entre los investigadores sobre la importancia de sus hallazgos, su significado o qué conclusión puede ser deducida. El rol preciso de la conciencia en la toma de decisiones queda incierta debido a esto. Pensadores como Daniel Dennett o Alfred Mele tienen cierta preocupación por el lenguaje usado por los investigadores. Ellos explican que «libre albedrío» significa cosas diferentes para diferentes personas (por ejemplo, algunas percepciones del libre albedrío son dualistas, otras no). Dennett recalca que muchas concepciones importantes y comunes del libre albedrío son compatibles con la evidencia emergente de la neurociencia.