大脑两半球功能上的不对称，或者说脑的不同功能向一侧半球集中是人脑结构和认知的主要特征，生理学上称之为大脑半球一侧优势，或简称大脑优势。在98%以上的成年右利手者中，左半球专管对语言的处理和语法表达，如词语、句法、命名、阅读、写作、学习记忆等。而空间技巧与右半球相关，如对三维形状的感知、空间定位、自身打扮能力、音乐欣赏及歌唱等。右半球还可理解一些口语及印刷的词。可以认为左半球是科学性的，而右半球是艺术性的。大脑半球一侧优势在成人有，儿童有，婴儿也有，甚至某些动物也有。 1863年，法国外科医生皮埃尔·布罗卡(PierreBroca)指出两个大脑半球的功能有差别，左额叶可能是控制言语的皮层区。而除了左半球言语功能占优势外，人们认为两个半球在感觉和运动功能方面全是对等的。左半球接受身体右半侧的感觉传入，并支配右半侧肌肉运动；右半球接受身体左半侧的感觉传入，并支配左半侧肌肉运动。
20世纪50年代，美国加利福尼亚州技术研究院教授斯佩里真正确立了左右脑分工的观念，他与学生尝试把猫，猴子左右脑连接的神经线全部切断后，这些动物仍然生活得正常，并且可以训练两个脑半球以相反的方式去完成同一项任务。研究结果显示，左脑同样具有右脑的功能，右脑也同样具有左脑的功能，只是分工和侧重点不同。 对大脑优势的临床研究，最先始于对裂脑人的实验观察。自然脑损伤可造成裂脑，在脑损伤病人身上观察到，左侧脑损伤导致右侧脑功能丧失，主要是语言功能的丧失，但不影响右侧脑功能；同样，右侧脑损伤导致左侧脑功能丧失，患者可表现穿衣失用症，因分不清左右侧而穿倒衣服，不能绘制图表，视觉认识出现障碍，说明左右大脑半球是独立活动的或功能分离的。裂脑人的主要来源是癫痫病人，为防止发病时左右两半球间的传播发作，减弱癫痫发病强度，常采取切断病人胼胝体的方法，术后病人便成为裂脑人。将图片在裂脑人的左半视野闪过，病人不能说出图片上物体的名称，因为视觉形象投射到了右半球而右半球是不具有说话功能的，但病人可用一些非言语形式表明他们已感知到了物体，比如用手收集和图片上一样的物体。说明病人的右侧视觉是良好的，更重要的是说明了语言中枢位于左半球。而在正常人，由于胼胝体的作用，使两侧半球功能得以联系，因此不论物体出现在哪侧视野，都可用词语说出物体的名称。
以正常人为实验对象，则主要通过对那些与左右侧大脑认知神经生理学相关的正常行为进行研究来阐明大脑优势的存在，如侧面呈现刺激物的感知实验，实验结果提示，当脑的一侧对某一认知活动参与越多时，其注意力偏向对侧感受野的活动就越大，从而引起感觉不对称的增加。最近还采用在特殊感知活动期间进行观察的脑成象技术，如脑局部血流图和正电子发射断层扫描术等。这些技术可以指示认知期间神经活动增强的部位，但神经活动增强标志着什么至今仍不清楚。研究正常个体，对象易得，个体间的差异如性别、年龄、认知水平、家族史、手偏利等的研究可行，左右大脑差异定量打分使研究半球不对称的程度成为可能。 结构上来说，人脑右半球略重于左半球，但左半球灰质多于右半球；左右颞叶有明显不对称性；颞叶的不对称性和丘脑的左右不对称性相关；各种神经递质的分布，左右半球也是不平衡的。
从功能上来说，在正常情况下，大脑两半球是协同活动的，进入大脑任何一侧的信息会迅速通过胼胝体传达到另一侧，做出统一的反应。割裂脑研究表明大脑两半球可能具有不同的功能。语言功能主要定位在左半球，负责语言、阅读、书写、数学运算、和逻辑推理等。而知觉物体的空间关系、情绪、欣赏音乐和艺术则定位于右半球。
大脑的功能存在单侧优势，但不是绝对分离的。近年来许多研究发现，右半球在语言理解中同样也起重要作用。在加工复杂程度不同的句子时，右半球上与左半球经典语言区对应的部分也得到激活，只是激活的强度低于左半球。
本段总结自《普通心理学》(修订版) 彭聃龄 2001 脑功能不对称的理论：大脑一侧优势与遗传有一定关系，但主要是在后天生活实践中逐步形成的。在2～3岁时，左右侧脑损伤的结果相差不多，因为那时尚未建立一侧优势；10～12岁时，如左半球损伤，可在右侧半球建立语言中枢；在成年人，左侧语言优势已建立，左半球的损伤导致不可补偿的语言障碍。另外，早期脑损伤的功能恢复比晚期脑损伤的功能恢复快，因为在生命早期神经系统的可塑性大，那时大脑半球还未特化或特化不明显。
从解剖学图形上看，大脑两半球并不是镜映的，这是功能不对称的基础。在第一颞回上的表面后部即颞面有着最可靠的形态学不对称，而这儿正是语言综合必需的核心部位。左颞面较大，超过右颞面约40%。其他不对称的部位如左侧大脑外侧裂较长，仰角水平低，后额顶区较大，枕叶后端较宽等。左右半球功能不对称的本质是什么呢？一开始人们用言语-非言语或言语-视觉来区别左右半球的功能分离。这种分类不能解释一些较新的资料，如在某些具有空间特征的刺激中，对英文手写体的识别与右半球的功能相关，而对印刷体和东方国家的表意文字的识别则与左半球相关。再如，感觉那些具有序列和时间顺序的非言语刺激更依赖于左半球而不是右半球，而对某些听刺激如音乐旋律的感觉更多地依赖于右半球。因此，两半球不对称的本质差异更准确地被描述为分解-合成或时间-图形的功能分离。即左半球对不同条目根据时间顺序安排的分解刺激加工的信息是特化的，如语言、语法技巧；右半球则对合成刺激加工的信息是特化的，并继续形成统一的图象，如对旋律、三维物体的感知。当然，左右半球的功能不对称存在个体差异，比如在缺乏音乐素养的个体中，旋律感觉往往取决于右半球的作用，但在音乐家中则包括左半球的作用，反映出音乐家能较大地利用大脑的分析过程。 两半球间的差异是绝对的或是相对的？即不清楚每个半球是否具有另一半球所特化的加工信息的能力。虽然两半球都有处理语言刺激的能力，但并不意味着处理方式完全相同。左半球可能以分析模式进行加工，右半球则以整体模式进行加工。我们只能辩证地认为两半球间的差异是相对的而不是绝对的，但缺乏充分的实验证据。另外，我们也不清楚大脑功能不对称究竟在神经系统的什么水平存在。
动物脑是否具有功能不对称性？按传统概念，语言被认为是大脑功能不对称的基础，动物没有明显的语言，因此没有脑功能不对称。但近年研究表明，动物大脑存在功能不对称，灵长类的左右半球间存在解剖学和功能上的不对称。如黑猩猩的左侧外侧裂比右侧裂要长，但二者差异比人类的要小。在发声动物金丝雀中，左半球损伤对鸣叫的影响比右半球损伤大得多。除灵长类及鸟类外，其它动物如猫、兔、大鼠、小鼠都有脑功能不对称效应。在猴及鼠还存在爪偏利，与人类手偏利的不同在于其右利及左利的个体数量基本相等，而在人类，右利手者明显居多。这些观察对以语言为大脑功能不对称基础的传统理论提出了挑战。可见，对脑功能不对称的神经生物学基础的阐明还仅仅是个开始。
