Meditatsiooni ajal toimuvad ajus mitmed muutused. Teadlased on kasutanud magnetresonantstomograafiat ehk MRI-d, et täpselt kindlaks teha, kuidas meditatsioon aju mõjutab. Ajulainete omadused muutuvad, ajukoore osad paksenevad füüsiliselt, mandelkeha on vähem aktiivne ja hipokampus muutub aktiivsemaks. Regulaarse vahenduspraktika korral jäävad mõned neist muutustest alles ka pärast meditatiivsest seisundist lahkumist.
Meditatsiooni ajal muutub elektriline aktiivsus ajus radikaalselt. Beetalained, umbes 15–30 tsüklit sekundis, vähenevad meditatsiooni ajal märkimisväärselt. Nad on seotud loogilise mõtlemise, dialoogi ja paljude, kui mitte enamiku igapäevaelu tegevustega. Teetalained sagedusega 4–7 tsüklit sekundis on seotud unistamise, kõrge loovuse ja meditatiivsete seisunditega. Need suurenevad meditatsiooni ajal.
Jalgrattaga 7–13 tsüklit sekundis liikudes esinevad alfa-ajulained lõdvestunud seisundites ja annavad märku stressi või ärevuse puudumisest. Alfalained suurenevad ajus meditatsiooni ajal. Kuna need lained aitavad kaasa uue teabe õppimise võimele, suurendab nädalate või kuude kestev mediteerimine praktiku võimet uut teavet vastu võtta.
Mediteeriv inimene on väga keskendunud, erksas ja sügavalt rahulikus olekus. Hingamine ja südamelöögid aeglustuvad ning vererõhk langeb. Praktiku fookus pöördub sissepoole ja seal toimuvad väga spetsiifilised muutused, mille tulemuseks on aju meditatsiooni ajal. Ajukoor, mis on aju arutluskeskus, kus elavad eneseteadvus, emotsioonid ja loogika, lülitub suures osas välja. Selle asemel paksenevad veresoonte laienemise tõttu füüsiliselt prefrontaalse ajukoore ja parema eesmise isolatsiooni osad, mis on seotud sensoorse teabe töötlemise ja detailide märkimisega.
Stress pole mitte ainult ebameeldiv; see muudab aju füüsiliselt, põhjustades hipokampuse neuronite suuruse vähenemise. Hipokampus on see ajuosa, mis võimaldab mälu, aitab kaasa heaolutundele ja toetab õppimist. Pikaajalise mediteerimisega kaasneb stressi vähendamisega hipokampus ise. Mitte ainult hipokampus ei kogu ajuainet, vaid ka mandelkeha ehk ajuosa, mis tegeleb viha, kurbuse ja ärevusega, väheneb meditatsiooni ajal. See annab stressile ja ebameeldivatele emotsioonidele kahekordse löögi.
Meditatsioonil on sõna otseses mõttes võime aju ümber juhtida. Inimesed, kes võitlevad depressiooniga, kellel on vihaprobleemid või kannatavad ärevushoogude all, võivad keskendunud meditatiivse praktika kaudu luua uusi ja tervislikumaid mõtte- ja tunnetusharjumusi ning tegelikult moodustada ajus uusi teid. Terve aju aitab kaasa ka tervele kehale. Teadlased on märkinud, et inimesed, kes osalevad regulaarselt meditatsioonis pikema aja jooksul, põevad väiksema tõenäosusega kroonilisi häireid. Nende jaoks, kes seda teevad, on ebamugavustunne meditatsiooniga minimaalne.