认知科学的核心是研究心智的本性。20世纪70年代末作为建制的认知科学形成了，但它一直以来都不是一门经典意义上的统一的学科，而是一个多学科的、松散的“联盟”；其联盟成员因传统、方法或关注的问题域、角度和层次的不同而分属由哲学、心理学、神经科学、语言学、人工智能、人类学和教育学等学科构成的多边形中。
富有挑战的现象
迄今，在当代认知科学中大致出现过三个基本的研究范式：认知主义、联结主义和具身动力论（embodied dynamicism）。每个范式各有其偏好的理论隐喻。
认知主义认为心智类似于计算机或者就是计算机；联结主义认为心智的工作方式是人工神经网络；具身动力论则把心智看作是一个一个嵌在特定的自然-社会环境中的具身动力的演化-发展的生物系统。这些范式都有各自的拥趸者、感兴趣的问题、研究方法和应用领域。这三个范式在当前是并存的，它们既独立也混合，即竞争也互惠。范式的演变和竞争反映了当代认知科学所面临的挑战和研究重心的变迁。
随着对心智现象的复杂性认识的加深，早期居于主流地位的认知主义的乐观消失了。撒加德（P.Thagard）指出，这种计算机隐喻的心智观遭遇了心智现象的多方面带来的挑战：
情绪挑战：越来越多的证据表明，情绪并不是令人类荣耀的理性能力的对立面。理性并非完全地独立于情绪，相反，情绪和感受在人类思维和决策中扮演着重要的角色，因为情绪和感受指示着理性的理智活动的动机、方向和价值。
意识挑战：意识是生物心智的演化-发展上的“皇冠”。然而意识体验因其主观感受的特异性而长期成为科学研究的禁忌。这个状况在20世纪后80年开始出现了急剧的转变，这种转变甚至被描述为“意识的激增”（consciousness boom）。
世界挑战：物理环境并不是知觉刺激的单纯供应者，正如梅洛-庞蒂（M.Merleau-Ponty）所言“世界不是我掌握其规律的对象，世界是我的一切思考和一切清晰知觉的自然环境和场地”；认知的分析单元仅仅是认知行动者（cognitive agent）还是一个将环境也包含在内的更大的认知系统？心智与环境分界在何处？这些问题开始在认知系统、分布式认知（distributed cognition）、延展认知、延展心智（extended mind）等主题下得到新的讨论和研究。
身体挑战：人是一个生物机体，心智本质是具身的（embodied）；机体和具身性是当代认知科学理解心智本性的基础。埃德尔曼认为，说心智是具身的是不够的，重要的是要清楚心智是如何具身的。
动力系统挑战：心智是一个具身动力系统的涌现特性和功能，而不是一个基于符号的计算过程。认知的动力系统观要求的是一个范式的转变。
量子力学挑战：人类的思维可能并不是标准意义上的计算，生命和脑以不同的方式运作，或许是作为量子计算机。尽管以量子机制来解释意识并不是普遍的观点，但它引进了新的观念和解释进路。
这些挑战反映出心智现象的多样性和复杂性：它不仅涉及心智现象的构成、状态、过程、功能、层次、发展，还涉及其心智的存在方式。
研究的问题域
基于不同范式的不同学科不但因其特定的研究方法，而且也因其关注该复杂性现象的不同方面而提出了各自的研究主题。我们可以大致（当然含有极大的局限性）列出一些被广泛关注的问题域，它们或者是哲学的，或者是科学的，或者混合的：
心与世界：心是自然之镜吗？人是如何知觉世界的？知觉是对世界的摹写还是一种主客体相互作用的建构？除了心与世界之间的认识论问题外，还有一个关于心智的社会性和系统性的问题，将认知行动者置于世界之中的认知系统观是当前一个强有力的趋势。
心与身：理解心-身关系是形而上学的一个基本任务。这种关系或心的存在方式是二元论、物理主义、功能主义、副现象论还是泛心论？心-身关系问题在“意识研究”（consciousness studies）中被称为“难问题”（Hard Problem）。
心与心：他心知问题构成了社会认知、社会交往和人的社会性的基础。我心是如何感知、理解、知道他心乃至与他心同理的（empathy）？人的社会性存在最初的生物脑基础吗？社会认知是如何通过生物脑和后天的社会经验而不断形成和发展的？
心与生命：生命与心智是两个彼此独立的范畴吗？它们之间存在连续性吗？意向性、意义和感受是如何在生命中起源和发展的？
意识：“意识研究”在过去20年出现了一个近乎井喷式的发展。科学能彻底地理解和解释意识现象的独特性吗？意识的“难问题”该作何解？或者它本身是成立的吗？作为人类主体性之本质的自我感（a sense of self，ownership，agency，mineness）是如何在生命世界中出现的？意识在何种意义上是自觉知（self-awareness）的？体验必须包含反思成分吗？自我还是无我（no-self）？自由意志还是决定论？动物的意识状况是怎样的？
心智发展：心智能力的天性成分与后天的教养成分是如何相互作用推动认知发展的？其实现的神经机理是什么？
语言与思维：语言是心智的窗口，在语言生成和理解背后存在复杂的认知活动，这被认知语言学家福科尼尔（G.Fauconnier）称为语言的后台认知（backstage cognition）和语言的认知复杂性（cognitive complexity）。为什么隐喻的思维形式在人类的语言中如此普遍？语言是如何影响思维的？语言与体验的关系，为什么禅宗说“言语道断”，能给出神经科学的解释吗？
脑工作原理：脑乃心识之官，那么脑是如何完成不同的心智功能（感知、学习、记忆、情绪、注意、思维、语言等）并把它们统一在一起的？脑存在一个一般性的工作原理吗？脑是如何演化和发育的？
认知与文化和社会：文化和社会是如何影响认知的？文化认知的共性和差异性如何？认知科学将如何影响和塑造社会？
心智研究的跨学科和跨传统
心智现象的复杂性在认知科学成立之初就体现于认知科学的多学科的天然联盟中。心智的复杂性本质上反映了人的复杂性，心智现象的研究本质上是关于德日进（Pierre Teilhard de Chardin）所说的“人的现象”的研究。人本主义心理学家罗洛·梅（Rollo May）在谈到“人的科学”特征时，提到其研究应有的态度：
（1）人是一个复杂多义的现象，对人的研究不能单纯依靠一门人文科学，更不能完全依靠自然科学来完成，它必须是多学科和跨学科的，但它也不是所有这些学科的拼凑，而应该建立起关于人及其存在的整体理解；（2）人的科学不应仅仅局限于第三人称的实验、数量化和测量方法，而应把内省、现象学反思等第一人称的描述方法看作适宜的，乃至首要的方法；（3）人的科学不应仅停滞于了解人的构成、结构、功能和机制，同时要关注人的存在感、价值和意义。
尽管认知科学的“联盟”看起来是松散的，甚至非常异质，也许正因此，它们之间的对话交流才更活跃和彼此富有借鉴和启迪。对此，达马西奥（A.Damasio）恰当地评价道：“心智、行为和脑的这种三角关系已经显而易见有一个半世纪了。这种三角关系促进了一种最恰当的发展：传统的哲学界和心理学界逐渐与生物学界的力量结合起来，并且形成了一种奇特的、但颇具生机活力的联盟。例如，借助于目前以认知神经科学之名为人所知的科学进路的松散联盟，人们对于视觉、记忆和语言的理解获得了新的进步。我们完全有理由期待，这种联盟也会有助于我们理解意识。”
心智研究的复杂性除其跨学科的特点外，它还表现为跨传统。当前不但存在认知科学与西方的现象学和分析哲学传统的深入对话，而且存在着认知科学、现象学、精神分析、超个人心理学等与东方“心学”传统（印度传统、佛教传统和道家传统）的广泛对话；而这种对话在意识研究中又尤为突出地表现为与佛教传统的对话，其涉及的议题包括心智的构成和结构、体验的境界、自我、禅修的心理生理效应、禅定方法的独特性、禅定和开悟状态的神经机理等。其代表性的研究如奥斯汀（J.M.Austin）的《禅与脑》、瓦雷拉（F.Varela）等人的《具身心智：认知科学与人类经验》、卡巴金（J.Kabat-Zinn）所开创的正念减压疗法（Mindfulness-based Stress Reduction，MBSR）等。