Charles Darwin fu tra i primi a ritenere che le emozioni avessero delle radici biologiche e che vi fossero notevoli somiglianza tra i meccanismi emotivi degli animali e degli esseri umani. Darwin studiò la fisiologia di alcune emozioni descrivendole dal punto di vista dei muscoli attivati e delle reazioni "vegetative" come la produzione di lacrime, le modifiche del respiro, del ritmo cardiaco ecc.

La teoria evolutiva di Darwin ha avuto diverse conferme: ad esempio, in tutte le culture le emozioni facciali che caratterizzano alcune emozioni sono molto simili come hanno dimostrato studiosi come Eibl-Eibsefeldt o Ekman:

Inoltre, le espressioni facciali di alcune emozioni compaiono molto precocemente, sin dai primi giorni di vita, il che indica che dipendono da "programmi" innati:

Le emozioni non comportano soltanto reazioni facciali "stereotipate", evidenti in ogni cultura e in età precoci: esistono altri meccanismi innati che fanno sì che alle espressioni facciali corrispondano modifiche dello "stato interno" dell'organismo. Ad esempio, Ekman ha dimostrato che se un attore recita un'emozione, cioè atteggia il viso a un'espressione triste o allegra, cambiano alcuni parametri fisiologici come il ritmo cardiaco o la respirazione. Il cervello, in altre parole, viene ingannato dalle espressioni facciali del suo volto...

Alcune delle modifiche fisiologiche che si verificano nel corpo sono simili a quelle ottenute con la cosiddetta "macchina della verità": nella parte alta della figura si vedono il ritmo respiratorio e la pressione sanguigna di una persona cui vengono poste domande "neutre". Quando invece la domanda è coinvolgente dal punto di vista emotivo, respiro e ritmo cardiaco cambiano bruscamente, come indicano i due tracciati inferiori:

Un altro aspetto innato delle emozioni risiede nelle differenze evidenti tra i due emisferi: tra i due volti dell'immagine sottostante, la maggior parte delle persone trova che sia quello di sinistra a sorridere, anche se essi sono speculari. Ciò si verifica in quanto normalmente la parte sinistra di un'immagine viene percepita dall'emisfero destro, specializzato nel trattare le emozioni, mentre la parte destra viene percepita dall'emisfero sinistro, specializzato in altre funzioni, tra cui il linguaggio:

Gran parte delle reazioni emotive dipendono dal sistema limbico, un insieme di nuclei situati sotto la corteccia tra cui il setto, l'ippocampo e l'amigdala. Anche una parte della corteccia, detta "cingolata", fa parte del sistema limbico:

L'amigdala, qui sotto in rosso cerchiata in giallo, è la struttura del sistema limbico che gioca il ruolo più importante nell'emozione grazie ai suoi collegamenti diretti col talamo, la struttura nervosa situata al di sotto della corteccia e a cui pervengono tutte le informazioni sensoriali tra cui quegli stimoli che per le loro caratteristiche visive o uditive possono "scatenare" un'emozione.

Nello schema riportato qui sotto si può vedere che l'amigdala riceve informazioni dal talamo prima ancora che le riceva la corteccia: l'emozione, perciò, può aver luogo prima che essa acquisti una componente cognitiva, prima cioè che la corteccia ci abbia "pensato sopra". L'amigdala induce reazioni vegetative (aumento del ritmo cardiaco, della pressione, sudorazione, dilatazione della pupilla ecc.), ormonali (aumento degli ormoni della surrenale e della tiroide a causa dell'attivazione dell'ipofisi) e comportamentali. Queste ultime sono dovute all'attivazione dei cosiddetti "gangli della base", formazioni nervose da cui dipendono automatismi motori come quelli implicati nella produzione delle espressioni facciali.

Nelle fotografie qui sotto si può vedere come la stimolazione (indotta con tecniche particolari) dei gangli della base si traduca in espressioni facciali del pianto e in modifiche del sistema vegetativo tipiche della tristezza: la persona in questione non ha alcun motivo per scoppiare a piangere ma le sue reazioni "automatiche" dipendono dall'entrata in funzione di queste strutture. In condizioni normali queste reazioni possono verificarsi in seguito ai comandi inviati dall'amigdala.

Alcune emozioni "forti" si traducono in modifiche della funzione della corteccia cerebrale. Un neuroscienziato americano, R.J. Davidson, ha mostrato ad alcuni volontari delle fotografie con scene piacevoli e confortanti ed ha poi misurato le modifiche dell'attività del loro cervello: in questi casi la corteccia frontale e parte di quella temporale divengono più attive (aree in giallo). Altre emozioni portano a modifiche di altre aree del cervello.

In conclusione, le emozioni hanno diverse componenti biologiche: le si può studiare dal punto di vista evolutivo, dello sviluppo infantile, del ruolo degli emisferi cerebrali e dei rapporti tra sistema limbico e corteccia cerebrale. Il fatto che le emozioni derivino dall'entrata in funzione di alcuni nuclei nervosi o comportino la loro attivazione non implica che esse non siano anche dei fenomeni che vanno valutate per le loro componenti psicologiche.