Patofisiologi bulimia nervosa diduga serupa dengan gangguan penyalahgunaan zat, yaitu akibat perubahan fungsi pada korteks prefrontal, korteks insulae, korteks orbitofrontal, dan striatum. Impuls untuk terus makan dimediasi oleh hiperaktivitas korteks orbitofrontal dan korteks cinguli anterior, serta kegagalan inhibisi oleh sirkuit prefrontal lateral. Hal ini didukung oleh penelitian menggunakan fMRI (functional magnetic resonance imaging) pada pasien dengan bulimia nervosa yang menunjukkan adanya peningkatan volume grey matter di korteks orbitofrontal medial. Grey matter merupakan substansia nigra yang mempengaruhi fungsi otak, misalnya pada keadaan klinis atrofi otak, grey matter mengalami penurunan volume sehingga berdampak kepada penurunan kualitas hidup. Penelitian menggunakan fMRI oleh Seitz et al menemukan adanya hiperaktivitas regio parieto-oksipital dan aktivasi cinguli posterior pada pasien bulimia nervosa dibandingkan kontrol. Mereka juga menemukan hipoaktivitas di regio cinguli anterior, temporo-parietal junction, dan regio parahipokampal.