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不同学科的研究者从自身视角提出了一些用于解释运动与认知功能关系的观点和理论，其中比较具有代表性的包括心理学理论、认知心理学假说、生理学观点、认知神经科学解释等。
社会认知理论是社会心理学的重要理论之一，它是用来解释社会学习过程的理论，主要关注人的信念、记忆、期望、动机以及自我强化等认知因素。根据班杜拉的社会认知理论，人的锻炼行为是由个人因素、行为因素以及环境因素三者交互作用决定的，其中个人因素包含认知、情绪和生理成分。体育锻炼能够提高认知功能是因为通过锻炼可以减缓个体压力、改善个体自尊、自我效能和控制感等。
Kramer等人（1999）基于认知老化的额叶假说提出了选择性提高假说，认为有氧锻炼可以使人体有氧适能得到提高，有氧适能的提高可能产生的认知益处是有选择性的而不是普遍性的。这一假说可以解释有氧锻炼对老年认知功能的效益，特别是执行功能，但是无法解释其他锻炼方式对认知功能的影响。
该假说认为，认知功能是由一系列心理技能组成的，认知功能的提高需要不断地练习和加强。特定的训练之所以能提高儿童认知功能的发展，其中一个重要的原因是训练方案内容包含丰富的认知功能操作，训练过程即反复练习和运用认知功能过程，训练的经验得以强化，进而可以发展认知功能。
唤醒是指机体总的生理性激活的不同状态或不同程度，是由感觉兴奋性水平、腺和激素水平以及肌肉的准备性所决定的一种生理和心理活动的准备状态（马启伟、张力为，1998）。Kamijol等（2009）研究指出短时有氧运动通过提高个体的唤醒水平，使其新陈代谢水平增加、与认知功能相关脑区血流水平增加，进而提高个体的认知功能。
认知能量模型认为认知过程存在三种水平：认知机制、能量机制及其执行功能的控制系统，其结构见图3-1所示。运动可能是通过影响三种水平的认知过程进而改善认知功能。
图3-1 认知能量模型（引自Joseph A.Sergeant, 2000）
第一级水平为底层基础认知过程：包括编码、中央加工和运动反应过程三个环节；第二级水平为中间认知过程：包括唤醒、激活和努力三个能量库；第三级水平为上层认知过程，也称管理/执行功能，该过程与执行功能概念基本相似，与计划、协调、错误探测和纠正相联系。
Stern（2002）通过对早期老年性痴呆症病人研究发现，受教育水平高的被试比受教育水平低的被试在顶颞区的脑血流更明显，并提出了认知储备的概念，认为具有高认知储备的个体具有联系更紧密的大脑网络，当某个脑区受到损伤，其他的脑区能够进行更积极的代偿，从而表现出较少的认知功能障碍。研究发现早期参加有规律身体活动的老年个体，较不参加的老年个体的认知功能高，身体活动通过刺激分泌神经营养因子、神经细胞生长等途径增加脑储备，经常参加身体活动的人具有较高水平的认知功能和抵抗认知疾病的能力。Colcombe等（2003）的研究进一步证实，有氧锻炼干预能提高前额叶、顶叶和颞叶的灰质和白质的体积，为认知储备假说提供了证据。
运动导致的与认知功能相关的血管改变假说包括增加氧饱和度、提高血管生成和增加脑血流量。
脑血流：早在1980年，Spirduso就推测规律运动导致认知功能改变的潜在机制可能和增加脑血流量有关。最近的研究结果已经使我们可以认识到运动对具体血管和半球的血流、脑组织氧化作用、流速和脑代谢的影响。尽管在静息和中等强度运动时总体脑血流量保持不变，但是局部脑血流量在中等强度运动时能增加30%。增加脑血流量的脑区有前额叶、顶叶和部分颞叶。
血管生成：血管生成是指在原有血管网基础上，通过内皮细胞芽出而形成新生血管的复杂过程。在脑的发育过程中，血管生成自发发生，但是随着年龄的增加，产生新血管的能力逐渐丧失。一些研究发现长期运动训练导致较多脑血流，随着较多脑血流的持续影响，大鼠初级运动皮层和皮层下区域（如海马）的毛细血管密度和灌注增加。由于海马在形成新的记忆时是一个高度氧依赖型的结构器官，因此，血管生成也许是揭示运动导致学习记忆提高的一个原因。该研究的运动导致中枢神经系统血管密度增加的结果，已经被许多使用动物模型的研究证实。
人们很早就认识到，当动物参与运动时身体和脑会发生生物化学反应。实验表明运动会增加血清的钙水平，血清的钙被运送到脑，用来激活儿茶酚胺合成的限速酶，而多巴胺和去甲肾上腺激素已经被证明和认知功能有关。研究发现，较不运动大鼠，以20m/min速度运动15—120分钟的大鼠血清的钙水平高7%—18%，新纹状体多巴胺的浓度高31%。运动不仅仅改变神经递质的浓度，同时也对神经递质受体和神经递质转运体产生影响。Molteni等（2002）研究发现不同持续时间（3天、7天和28天）的运动训练对大鼠海马神经递质受体和神经递质转运体的基因表达产生不同的影响，而这些神经递质受体和神经递质转运体的改变会对认知功能产生影响。
运动也可以通过分子途径，如神经营养因子，影响大脑的结构和功能。越来越多的研究发现，运动可以调节脑源性神经营养因子（BDNF）的水平。研究表明运动可以导致不同脑区的BDNF的产生，如海马、皮质、纹状体和小脑等，其中影响最大的是海马（控制学习和记忆），而非控制运动的运动皮质、纹状体和小脑等（Johnson, 2003）。生长在有可操作性的项目、新颖性的食物、社会交流和其他刺激性行为丰富、复杂环境的大鼠，较久坐大鼠增加了BDNF、突触发生、树突分叉、神经生成以及神经生物化学的变化等，这些神经的改变不仅造成认知功能的即刻提高（如水迷宫成绩），而且有神经保护作用。研究也发现运动对认知功能的改善作用，会由于注入BDNF拮抗剂而降低（Vaynman, 2004）。
知识窗3-2
神经营养因子是指参与神经元存活、增殖、分化和突触功能的一组因子，包括BDNF、NGF、NT-3、NT-4、NT-5、NT-6、NT-7、CNTF、GDNF等。其中，脑源性神经营养因子（Brain-Derived Neurotrophic Factor, BDNF）是一种具有促进和维持神经元生长、存活以及功能作用的活性蛋白因子。BDNF可以影响海马、皮质、纹状体和小脑等中枢神经部位神经细胞的分化、生长和存活，也被认为与增加老年人对脑损伤和退化的抵抗能力有关。许多的研究也发现，运动有助于与学习记忆密切相关的脑区神经元的增殖、存活和分化，促进长时程增强（LTP）的诱导，提高实验动物的空间记忆和被动逃避记忆能力。
有氧运动可诱发多个神经内分泌系统通路的激活，而这些神经内分泌通路的激活与认知功能关系密切。因此，有研究者开始从神经内分泌的角度理解运动对认知功能的影响，他们认为：运动通过诱发脑不同程度的神经内分泌反应影响认知功能。最近提出的一个儿茶酚胺类递质假说认为运动使得脑部儿茶酚胺类递质变化，可以影响个体的认知功能（Chmura, 1994； Winter, 2007）。Chmura等人（1994）以24名青年运动员为被试，检测多种递增负荷运动时静脉血的乳酸、肾上腺激素、去甲肾上腺激素和反应时的变化。结果发现，随着运动负荷增加，乳酸、肾上腺激素和去甲肾上腺激素随之增加，反应时减少，但达到一定运动负荷后反应时开始增加，反应时的任务行为呈倒“U”型。Winter等（2007）以30名体育系大学生为被试，检测高强度的无氧快跑、低强度的有氧跑后即刻、1周和8周生僻单词学习速度以及血浆BDNF、多巴胺、肾上腺激素、去甲肾上腺激素的浓度。结果发现高强度运动后学习速度加快，并伴随BDNF和儿茶酚胺类递质增加。
知识窗3-3
1965年Sutton开创了事件相关电位（Event-Related Potential, ERP）的研究方法，指出当人对某客体进行认知加工（如注意、记忆、思维等）时，通过平均叠加从头颅表面记录到大脑电位，它反映认知过程中大脑的神经电生理改变。事件相关电位不仅包括易受刺激物理性质影响的外源性成分N1、P1、P2，还包括不易受刺激物理性质影响的内源性成分N2、P3、CNV、SW、N400，这些内源性成分与客体对刺激信号进行认知加工过程密切相关，是窥视心理活动的窗口，故又被称为“认知电位”。其中P3是潜伏期约为300ms的最大晚期正向波，又称P300，它是ERP中最典型、最稳定的、应用最为广泛的成分。
P300的特点：（1）P300是事件相关电位的内源性成分，不受刺激物理特性的影响，视、听、体感等性质的刺激均可诱发。（2）随靶刺激辨认难度增加，P300潜伏期延长，波幅减小。（3）靶刺激的概率越小，P300波幅越大。（4）P300潜伏期、波幅和年龄有关。
魏景汉，罗跃嘉.认知事件相关脑电位教程［M］.北京：经济日报出版社，2004
最近的研究发现运动能改善认知功能，且伴随着脑电信号的改变，特别是P300潜伏期缩短、波幅升高。Yagi（1999）发现运动后即刻的反应时间和P300的潜伏期明显比运动前短，视觉刺激的反应时间明显比听觉刺激的反应时间短，而运动后即刻听觉刺激模型的错误率明显增加，但视觉刺激模型没有显著性变化。Hatta（2005）发现经常参加运动的老年人比不经常参加运动的老年人反应更快，P300的波幅值明显大。Kamijo等（2009）选取40名青少年研究身体活动水平对大脑事件相关电位的影响，根据他们日常的身体活动水平分为活动组和久坐不动组，让他们完成一项空间辨认任务。实验结果发现，与久坐不动组相比，活动组的反应时和P300潜伏期缩短。Hillman等（2014）研究9个月的课外体育活动方案干预对儿童执行控制能力和脑电的影响，结果发现，体育活动方案提高了儿童执行控制能力和脑功能。
该假说认为，任何一种心理现象，都是以中枢神经系统尤其是以脑的活动为基础的。同样，运动产生的认知改善效应是脑的机能，是脑对运动的反应，是大脑可塑性变化的结果（陈爱国，2011）。脑的可塑性包括结构的可塑性和功能的可塑性。Colcombe和Erickson等（2006）使用完全随机实验设计，通过磁共振成像技术扫描脑部结构，发现与对照组比较，6个月有氧运动组老年人的认知功能相关脑区（前额叶、颞叶及顶叶）的灰质和白质容量显著增加，该研究从脑结构变化的角度，揭示了运动改善老年人认知功能的脑机制。陈爱国等（2011）探讨一次30分钟的短时中等强度有氧运动、执行功能和脑皮层激活模式之间的关系，结果发现：中等强度功率自行车运动能提高儿童的执行功能，其脑机制是运动所致的儿童执行功能脑激活模式可塑性变化的结果。陈爱国等（2015）利用静息态功能磁共振成像技术和局部一致性分析方法，探测一次30分钟的短时中等强度有氧运动前后儿童脑功能局部一致性的改变，使用Flanker任务测量运动前后儿童执行功能的变化。结果发现：短时中等强度有氧运动可通过增加儿童静息状态下脑功能局部一致性，改善脑的可塑性提高执行功能。