งานวิจัยหลายอย่างได้ตรวจเช็คสมองของเด็กสองภาษา คำถามที่มีบ่อยก็คือ การทำงานของสมองของเด็กสองภาษาแตกต่างจากสมองของเด็กภาษาเดียวหรือไม่? การจัดการและดำเนินการกับภาษาของเด็กสองภาษาแตกต่างจากเด็กภาษาเดียวหรือไม่? ล่าสุดได้มีการวิจัยและแสดงผลสรุปบางอย่าง เช่น ในการวิจัยครั้งหนึ่ง ผู้ชายคนหนึ่งได้ถูกสะกดจิตให้ย้อนกลับไปเมื่อตอนอายุ 7 ขวบ ในช่วงระหว่างที่ถูกสะกดจิตผู้ชายคนนี้สามารถพูดภาษาญี่ปุ่นได้คล่องมาก แต่เมื่อกลับมาเป็นผู้ใหญ่คนเดิม เขาไม่สามารถพูดภาษาญี่ปุ่นได้ สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าภาษาที่เคยเรียนในช่วงแรกแต่ไม่ได้รับการสนับสนุนหรือรักษาไว้นั้นยังคงอยู่ในสมองชั่วคราว อย่างไรก็ตามไม่มีงานวิจัยอื่นๆที่มีผลสรุปเช่นนี้ ดังนั้นจึงยังไม่มีข้อสรุปที่แน่นอน

     สำหรับผู้ใหญ่ที่ถนัดมือขวา สมองซีกซ้ายจะสำคัญกว่าสำหรับระบบการทำงานของภาษา นักเขียนหลายคนแสดงความคิดเห็นว่าคนที่ใช้สองภาษาอาจใช้สมองซีกขวามากกว่าคนที่ใช้ภาษาเดียวในกระบวนการใช้ภาษาแรกและภาษาที่สอง ภาษาที่สองของคนที่ใช้สองภาษาจะใช้สมองซีกขวามากกว่าภาษาแรก อย่างไรก็ตามเมื่อความสามารถในภาษาที่สองเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ การทำงานของสมองซีกขวาก็จะลดน้อยลงและการทำงานของสมองซีกซ้ายก็จะเพิ่มมากขึ้น สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าสมองซีกขวาเกี่ยวข้องกับลักษณะภาษาในด้านความรู้สึกและการแก้ไขปัญหา ส่วนสมองซีกซ้ายเกี่ยวข้องกับลักษณะสำคัญต่างๆในขั้นตอนการใช้ภาษา

     อย่างไรก็ตาม การวิจัยแสดงให้เห็นว่าการใช้สมองซีกซ้ายและขวาของคนที่ใช้ภาษาเดียวนั้นแตกต่างจากคนที่ใช้สองภาษา สมองซีกซ้ายมักจะมีส่วนเกี่ยวข้องมากกว่าสำหรับทั้งคนที่ใช้ภาษาเดียวและสองภาษา ยังไม่มีหลักฐานเด่นชัดที่แสดงให้เห็นว่าสองภาษามีผลเสียต่อการทำงานของสมอง ในเรื่องของประสิทธิภาพและผลงานในการทำงานของสมอง การเก็บข้อมูล และการจัดการกับข้อมูลของคนที่ใช้ภาษาเดียวและสองภาษานั้นไม่แตกต่างกัน