Diferentes áreas cerebrales están relacionadas con la sintomatología del TDAH. La corteza prefrontal es responsable de las funciones cognoscitivas superiores (ejecutivas y de planeación), la inhibición comportamental, la introspección, la memoria de trabajo y el enfoque atencional y la vigilancia. La corteza parietal integra los estímulos sensoriales y es responsable de la atención sostenida. La corteza temporal imprime un tono afectivo a los estímulos sensoriales, permite el reconocimiento del tiempo y es responsable de la memoria y el aprendizaje, así como de la comprensión del lenguaje. En cuanto a las estructuras subcorticales, el giro cíngulo actúa como ruta alterna para la información sensorial, el cuerpo calloso permite la comunicación interhemisférica y la formación reticular cumple un papel central en el ciclo sueño-vigilia y en los procesos atencionales. Varios investigadores han propuesto modelos neurobiológicos del TDAG que intentan dar cuenta de los déficits en atención y control inhibitorio que suelen ser vistos en el trastorno. Tres de estos modelos se enfocan en la disfunción de la corteza prefrontal, en las alteraciones de los sistemas catecolaminérgicos (dopamina y noradrenalina) y en los déficits primarios en la respuesta inhibitoria y en las funciones ejecutivas propias de esta área cerebral. En este modelo, Heilman propone que un tono dopaminérgico reducido en los circuitos prefronto-estriatales, que sirven de enlace entre los estímulos sensoriales y los sistemas motores, explican la inatención, impulsividad e hiperactividad. La corteza prefrontal recibe estímulos sensoriales de las cortezas asociativas y, a su vez, influencia la función motora por medio de conexiones con el área motora suplementaria. La corteza prefrontal también se proyecta al núcleo caudado, el cual inerva la sustancia nigra (SN). La SN provee retroalimentación a la corteza prefrontal por medio del tálamo ventral anterior y sus vías dopaminérgicas. Igualmente, el área tegmental ventral (VTA) (también dopaminérgica) modula la corteza prefrontal por medio del tracto mesocortical (línea punteada).