Muzykoterapia neurologiczna jest nowym zakresem stosowania muzykoterapii. Jej techniki zajmują się dysfunkcjami, wynikającymi z uszkodzeń układu nerwowego człowieka. Muzyka jest tu traktowana, jako alternatywna modalność dająca dostęp do funkcji niedostępnych przy pomocy nie muzycznego bodźca. Uruchomione pod wpływem muzyki procesy w mózgu mogą podlegać generalizacji i transferowi na nie-muzyczne funkcje. Z tego względu w praktyce klinicznej dokonuje się translacji ćwiczeń i bodźców terapeutycznych nie muzycznych na analogiczne, izomorficzne ćwiczenia muzyczne. Wykorzystują one specyfikę wykonawczą instrumentów muzycznych oraz strukturę muzyki do torowania, sygnałowania i koordynacji ruchu. Spośród parametrów muzycznych szczególną rolę zyskuje repetycyjny rytm, który służy do regulacji funkcji fizjologicznych i behawioralnych w oparciu o mechanizm entrainment – synchronizacji rytmów biologicznych z rytmem muzycznym na zasadzie rezonansu akustycznego. Posiada to szczególne znaczenie dla pacjentów z deficytem wewnętrznego systemu strukturyzowania czasu w mózgu. Regularne wzory rytmiczne ułatwiają ponadto kodowanie informacji pozamuzycznej w pamięci, dzięki czemu muzyka jest skutecznym narzędziem mnemonicznym. Muzyka jako hierarchiczny, złożony język czasowy, mający unikatowy dostęp do afektywno-motywacyjnych systemów/obszarów w mózgu, dostarcza struktur czasowych poprawiając procesy percepcyjne, zwłaszcza w zakresie poznania, języka i uczenia się motorycznego. Pozwala przy tym na ekspresję emocji i zwiększa motywację do ćwiczeń. Pojawiają się nowe technologie sensorycznej, słuchowej stymulacji rytmicznej np. w postaci dwuusznego dudnienia, czy tzw. terapii audio-wizualnej, łączącej stymulację rytmem muzycznym z terapią światłem. Te multimodalne formy stymulacji znajdują zastosowanie w leczeniu stanów po udarach, po urazach mózgu, stanów otępiennych oraz w innych deficytach poznawczych. Wyniki badań wskazują na znaczącą wyższość rehabilitacji z muzyką nad rehabilitację bez muzyki.