正常人出现幻觉，要么是在强烈的药物作用下，要么与当下的情绪有关，比如突然间受到了强烈的刺激，而与情绪无关的幻觉，且持续时间较长的话，只能在精神分裂症患者身上出现。因为幻觉往往在瞬间发生，研究者很难预测或者掌握其规律，因此，出现幻觉时的大脑变化也难以为人所知。为了研究出现幻觉时大脑内部的变化，研究者想了许多办法，如使用闪光灯或鲜艳的颜色等刺激人眼。与此同时，借用脑成像方法，捕捉大脑的瞬间变化。

当人出现幻觉时，发生明显变化的是大脑中掌管视觉的区域。神经元在传递视觉信息的过程中，一部分信息出现了中断，于是，大脑关于这部分信息的处理发生了混乱，外显的结果就是出现了幻觉。当大脑分析大量外在信息而感到负担过重时，也会出现幻觉。登山运动员在几千米的高峰上容易因缺乏感觉刺激而产生幻觉；老年人做了白内障摘除手术后，常发生幻觉，这可能和感觉剥夺有关。弱视和重听的人，既会出现错觉，也会出现幻觉，重听者有时还会出现偏执型精神病。