Varias teorías sugieren una base biológica para el trastorno, y actualmente una serie de estudios está explorando esta posibilidad. La Tomografía de Emisión de Positrones (TEP) y otras técnicas de representación del cerebro han sugerido que pueden existir algunas anormalidades en el lóbulo frontal y en los ganglios basales que influyen en los síntomas del TOC. Meta-análisis recientes de los estudios de voxel-based morphometry que comparan personas con TOC y controles sanos han encontrado que las personas con TOC presentan un aumento bilateral del volumen de sustancia gris en los núcleos lenticulares, extendiéndose a los núcleos caudados, mientras que una disminución del volumen de materia gris en los giros frontal medial dorsal/cingulado anterior bilaterales.