注意的生理机制是很复杂的，它与脑干网状结构、边缘叶和大脑额叶等脑组织密切联系。首先注意与觉醒状态密切相联系，脑干上部组织和中脑网状结构在觉醒状态中起着重要的作用。实验表明，在中脑部位切断脑干或破坏脑干网状结构而保留感觉上行特异传导通路，动物就陷入沉睡状态。临床上，脑干上部损伤的患者出现睡眠或梦样状态，选择性注意严重障碍。因此，脑干网状结构的上行激活系统被认为是保证觉醒和注意的最泛化状态的脑结构。
大脑的激活状态是选择性注意的必要条件。选择性注意必须有更高位的脑组织──边缘叶和大脑额叶的参与。边缘叶中的海马和尾状核称为是有机体实现选择性注意的重要器官，即像“过滤器”那样，抑制无关的习惯化的刺激的信号进入大脑，而对新的有意义的刺激作出反应。大脑额叶的作用是直接参与主动注意和集中注意。