Egyre több jel utal arra, hogy az agy egyes területeinek eltérései járulnak hozzá a gyerekek iránti szexuális vonzalom kialakulásához. A Yale csapatának MRI-vizsgálat-sorozata elsőként adott közvetlen bizonyítékot arra, hogy a pedofília a gondolati sémák különbözőségéből adódik.
Néhány esetben az agy adott területén kialakuló daganat is kialakíthat ilyen érzéseket, melyek az esettanulmányok szerint a tumor eltávolításával meg is szűntek. A Yale tanulmánya a funkcionális mágneses rezonanciás képalkotást (fMRI) használta, ami lehetővé teszi az agytevékenység rögzítését a páciens gondolkodása közben. A kísérletek során megállapítást nyert, hogy az ismert pedofil páciensek agyának egyes részeiben végbemenő aktivitás jóval alacsonyabb, mint egészséges társaiknál, amikor felnőtteknek szóló, erotikus anyagot mutattak nekik.
Az érintett agyterület a hipotalamusz, ami a szervezet belső környezetének egyensúlyában és a hormonkibocsátásban játszik fontos szerepet. A megfigyelések szerint minél szélsőségesebb a pedofil viselkedés, annál alacsonyabb az agy frontális kérgének aktivitása. Mindemellett, a tanulmányt publikáló Biological Psychiatry szaklap szerkesztője, John Krystal szerint ebből az agytevékenységi sémából nem feltétlenül jelezhető előre, hogy valakinél fennállhat-e a pedofília kockázata. A kutatás vezetője, dr. Georg Northoff úgy véli, eredményeik a pedofília neurobiológiájának, idegrendszeri felépítésének és működésének megállapításához vezető első lépcsőt jelentik, ami nagyban hozzájárulhat a rendellenesség megszüntetését célzó új és hatékony terápiákhoz.
Nagy-Britanniában számos szakértő kutatja az agy biológiáját, nem csupán a pedofilia megértése kapcsán, eredményeik magyarázatot kínálnak például a pszichopata gyilkosságok elkövetői viselkedésének megértéséhez. Keith Ashcroft, a Lancashire székhelyű Törvényszéki Agytudományi Központ pszichológusa szerint mivel a bizonyítékok azt sugallják, hogy a probléma a viselkedésünk, gondolataink és érzelmeink irányításáért felelős prefrontális kéregben alakul ki, ezért a skizofrénia elleni gyógyszerek hatásosak lehetnek a pedofília kezelésére.