大脑负责逻辑思维的主要区域是前额叶皮层。前额叶皮层位于大脑最前端，与决策、推理、问题解决等高级认知功能密切相关。这一区域的功能完整性对抽象思维、计划执行和情绪调节具有关键作用，损伤可能导致逻辑混乱或判断力下降。
前额叶皮层分为背外侧、腹内侧和眶额部三个功能亚区。背外侧前额叶负责工作记忆和复杂任务规划，比如数学运算或战略制定。腹内侧前额叶参与风险评估和社会行为决策，帮助权衡利弊。眶额部则与冲动控制和情绪管理相关，确保逻辑思考不受情感过度干扰。这三个亚区协同工作，形成完整的逻辑处理网络。
除前额叶外，顶叶的角回区域也参与逻辑推理过程。该区域负责整合视觉空间信息和语言符号，在解决几何问题或理解隐喻时尤为活跃。当进行需要空间想象的逻辑任务时，角回会与前额叶形成功能连接。这种跨脑区协作解释了为什么某些逻辑能力会因个体神经连接的差异而不同。
逻辑能力的形成具有发展性特征。儿童前额叶到25岁左右才完全髓鞘化，这解释了青少年时期抽象思维较弱的现象。通过针对性认知训练如棋类游戏或编程学习，可促进前额叶神经回路的优化。保持规律有氧运动与充足睡眠，有助于维持该区域供氧和突触可塑性，这对长期逻辑思维能力的保持至关重要。
