Meditācijas laikā smadzenēs notiek vairākas izmaiņas. Zinātnieki ir izmantojuši magnētiskās rezonanses attēlveidošanu jeb MRI, lai precīzi noteiktu, kā meditācija ietekmē smadzenes. Smadzeņu viļņu raksturlielumi ir mainīti, garozas daļas fiziski sabiezē, amigdala ir mazāk aktīva, un hipokamps kļūst aktīvāks. Ar regulāru starpniecības praksi dažas no šīm izmaiņām saglabājas pat pēc meditācijas stāvokļa atstāšanas.
Meditācijas laikā smadzenēs radikāli mainās elektriskā aktivitāte. Beta viļņi, aptuveni 15 līdz 30 cikli sekundē, meditācijas laikā ievērojami samazinās. Viņi ir saistīti ar loģisko domāšanu, dialogu un daudzām, ja ne lielāko daļu ikdienas dzīves darbību. Teta viļņi ar ātrumu no 4 līdz 7 cikliem sekundē ir saistīti ar sapņošanu, augstu radošumu un meditācijas stāvokļiem. Meditācijas laikā tie palielinās.
Braucot ar velosipēdu ar ātrumu 7–13 cikli sekundē, alfa smadzeņu viļņi ir klāt atslābinātā stāvoklī un liecina par stresa vai trauksmes neesamību. Alfa viļņi palielinās smadzenēs meditācijas laikā. Tā kā šie viļņi veicina spēju apgūt jaunu informāciju, meditācija nedēļu vai mēnešu laikā palielinās praktizētāja spēju absorbēt jaunu informāciju.
Cilvēks, kurš meditē, ir ļoti koncentrētā, modrā un dziļi mierīgā stāvoklī. Elpošana un sirdsdarbība palēninās, un asinsspiediens pazeminās. Praktizētāja fokuss vēršas uz iekšu, un ir ļoti specifiskas izmaiņas, kuru rezultātā meditācijas laikā smadzenes. Garoza, kas ir smadzeņu spriešanas centrs, kurā dzīvo pašapziņa, emocijas un loģika, lielā mērā izslēdzas. Tā vietā prefrontālās garozas un labās priekšējās izolas daļas, kas ir saistītas ar sensorās informācijas apstrādi un detaļu atzīmēšanu, fiziski sabiezē asinsvadu paplašināšanās dēļ.
Stress ir ne tikai nepatīkams; tas fiziski maina smadzenes, izraisot hipokampa neironu izmēra samazināšanos. Hipokamps ir tā smadzeņu daļa, kas nodrošina atmiņu, veicina labklājības sajūtu un atbalsta mācīšanos. Izmantojot ilgstošu meditāciju, stresa samazināšana izraisa hipokampa atjaunošanos. Ne tikai hipokamps iegūst smadzeņu vielu, bet arī amigdala, smadzeņu daļa, kas izturas pret dusmām, bēdām un trauksmi, meditācijas laikā samazinās. Tas stresam un nepatīkamām emocijām piešķir dubultu postu.
Meditācijai burtiski ir spēks atjaunot smadzenes. Cilvēki, kuri cīnās ar depresiju, kuriem ir dusmu problēmas vai cieš no trauksmes lēkmēm, ar mērķtiecīgu meditācijas praksi var radīt jaunus un veselīgākus domāšanas un jūtu ieradumus un faktiski veidot jaunus ceļus smadzenēs. Veselas smadzenes veicina arī veselu ķermeni. Pētnieki ir atzīmējuši, ka cilvēki, kuri ilgstoši piedalās regulārā meditācijā, mazāk cieš no hroniskiem traucējumiem. Tiem, kas to dara, diskomforts tiek samazināts, izmantojot meditāciju.