Bij een uitgebreid neuropsychologisch onderzoek kijkt een hierin gespecialiseerde psycholoog naar de manier waarop de diverse delen van de hersenen functioneren. Er zijn verschillende testen die het geheugen, het ruimtelijk inzicht en de verwerking van de verschillende zintuiglijke waarnemingen (zoals zien, horen en voelen) meten. Men beoordeelt niet alleen elke hersenfunctie afzonderlijk, maar kijkt ook of er bij een achteruitgang sprake is van een gelijkmatige verslechtering van alle functies tegelijk (zoals bij de ziekte van Alzheimer) of van een plaatselijke uitval van enkele bepaalde hersengedeelten (zoals bij vasculaire dementie). De uitgebreide neuropsychologische testen duren een uur tot soms een halve dag. Vaak is de test te lang om in een keer af te nemen.
Bij de verdenking ‘niet de ziekte van Alzheimer’ is uitgebreid neuropsychologisch onderzoek in de regel aangewezen. Bij de ziekte van Alzheimer kan een dergelijk onderzoek vooral in de beginfase van de ziekte zinvol zijn, omdat de verschijnselen dan nog niet zo duidelijk aanwezig zijn. Een neuropsychologisch onderzoek is onmisbaar voor het stellen van de diagnose milde geheugenstoornissen (mci).
Een enkele keer komt men er niet uit en is observatie van het gedrag nodig tijdens een kortdurende opname op een observatieafdeling van een ziekenhuis of een verpleeghuis. Ook kan men bij het vinden van slechts geringe afwijkingen of in geval van twijfel besluiten het onderzoek na zes maanden nog eens te herhalen.