A pesar de la similitud estructural que presentan los hemisferios cerebrales, a través de diferentes métodos y enfoques experimentales ha sido posible definir y caracterizar diferencias estructurales y aparentemente fiuncionales entre ambos hemisferios.

Observaciones clínicas. Las lesiones y los accidentes vasculares suelen dañar regiones específicas del cerebro las cuales pueden ser, posteriormente, visualizadas mediante el uso de técnicas no-invasivas como son los métodos de obtención de imágenes de cerebros de pacientes. Se ha tratado de correlacionar la ubicación de esas lesiones con disfunciones específicas. Sin embargo, la correlación ha resultado pobre.

Separación quirúrgica de los hemisferios. Se ha logrado separar los hemisferios de pacientes epilépticos en los cuales, con fines terapéuticos, se les ha cortado parte importante de los axones que cruzan, en el cuerpo calloso de un hemisferio a otro. En estos pacientes se han aplicado dos tipos de test para estudiar el funcionamiento de los hemisferios separados.

presentación de campo visual dividido: se les presenta un campo visual donde se ubica un estímulo a una cierta distancia del punto de fijación, en uno de los semi-campos. Se demuestra que cada hemicampo proyecta a áreas visuales primaria separadas de cada hemisferio lo que corresponde a una separación de casi 100% del procesamiento visual.
audición dicótica: se presentan estímulos auditivos simultáneamente en ambos oídos, pero sólo uno de los oídos aparece percibiendo el estímulo específico. Al presentar dos estímulos diferentes predomina el procesado por el hemisferio izquierdo.

Estudios conductuales. Los test anteriores se han aplicado a sujetos normales para ver con que hemisferio se logra un procesamiento más rápido (hemisferio especializado).

Experimentos de imágenes. Se estudia la lateralización cerebral midiendo las diferencias que resultan en cada hemisferio en: el EEG, la magnetoencefalografía (MEG), la tomografía de emisión de positrones (TEP), la resonancia magnética. Estas dos últimas técnicas están basadas en el uso de material radioactivo, como trazador, lo cual que permite medir los cambios de flujo sanguíneo en la región funcionalmente activa.