在控制行为的发生过程中，大脑（中枢神经系统）是主要的处理系统，即便没有明确的外显行为表现，也无法否认可能在中枢神经系统内部的处理和传输中有特定的表现形式。在一项比较心理学研究中，研究者对18只猫建立对亮光的食物反应模型，并且用这些猫在建立了食物高驱力机制后进行食物选择任务，进而以延迟时间长短将猫分为控制好的组和控制不好的组。进一步对这两个分组中猫的大脑进行神经网络形成研究，发现海马—前额叶、杏仁核—前额叶，以及额叶和丘脑下部都有不同程度的神经连接。结果发现，那些具有自我控制（对食物奖赏采用长潜伏期反应策略）的猫的额叶皮层中神经联结明显增多。显然，控制能力的高低和不同脑区的神经细胞联系密切相关。
对人类个体的相关研究可以从对动物的研究中借鉴一些经验，但是自我控制过程究竟以什么样的形式在什么部位进行，还需要通过更高级的研究手段进行探讨。这就是神经生理学和神经生化学的任务。我们可以通过fMRI（功能性核磁共振成像）、ERP（事件相关电位）、ECT（发射单光子断层扫描）等手段探讨抑制控制的神经机制（具体内容见“自我控制的神经机制”）。如前面提到关于大脑额叶的心理功能，其不断地成熟可以帮助个体有效地应对崭新或令人惊奇的环境，正确地调整我们的反应使之与环境中遇到的变化相适应，并相应地调节我们的行为。额叶在个体4～7岁时迅速发展，内抑制开始蓬勃发展起来，皮质对皮下的控制和调节作用逐渐加强。同时，神经纤维的髓鞘化也逐渐完成，这就使得神经兴奋的传导更加精确、迅速，从而使个体可以有目的地抑制自己的行为，并根据外部线索调节自己的行为以适应环境，这些都为幼儿自我控制的发展奠定了基础。一些研究也表明，儿童自我控制相关的脑特征与成人不同，相对于成人来说幼儿在冲突解决或抑制时大脑活动区域更广泛，在做出相应的行为反应时也更困难。通过对儿童进行干预训练，发现4岁儿童在训练后的脑电特征与没经过训练的6岁儿童的脑电特征相似，经过训练的6岁儿童脑电特征与成人的相似，由此可知，训练可以促进个体大脑的成熟，同时，大脑的成熟又有助于提高个体自我控制相应行为的水平。