Ayna nöronlar ilk olarak, 1980'lerden başlayarak 1990'lara kadar bunlar üzerine araştırma yapan Giacomo Rizzolatti ve ekibi tarafından bulundu. Bilim adamları memelilerde beynin nasıl işlediğini, şartlandığını, öğrendiğini ve bir şeye karşı niçin alâka duyduğunu anlamak için bir seri çalışma yaptılar. Bunlardan birinde maymunların beynine elektrik voltajlarını kaydeden elektrotlar yerleştirdiler. Daha sonra maymunlara muz verdiler. Bilim adamları, maymunların muzları yeme esnasında beyinlerinin bazı bölgelerinde (premotor kortekste F5 bölgesi ve Broca alanı gibi) elektriklenmeler ve voltaj artışları gözlediler. Bu arada bir bilim adamı maymunun karşısında iştahla muz yemeye başlayınca, maymun muz yemediği hâlde, sanki muz yiyormuş gibi beyninden yüksek voltajlarla cevap vermeye başladı. Enteresan şekilde, bir başkası aynı işi yaparken, beyindeki aynı merkeze ait benzer bir grup nöronda elektrik faaliyetleri artıyordu. Biyolojik bir kaynak dışında, bazı hisler (iştah, şehvet, vs) tespit edemediğimiz bir yolla maymunları, insanları ve kuşları karşısındakini taklit etmeye zorluyordu. Neticede "ayna nöron" adı verilen bazı beyin hücreleri de aktif hâle geçiyordu.

     Ayna nöronlarının keşfedildiği bir diğer hayvan ise bir kuş türü. Bataklık serçesi olarak da isimlendirilen, Melospiza georgiana türü kuşun ses algılama ve şarkı söylemekte çok aktif oldukları biliniyor. Bu tür üzerinde yapılan araştırmalarda, ötme sırasında –özellikle de şarkı söyleme ritüelleri sırasında– beyinlerinin HVC bölgesine gönderilen elektrotların daha aktif olduğu görüldü. Araştırmanın sonunda kuşların ötmesini de sağlayan bu bölgede ayna nöronlarının olduğu sonucuna varıldı.  
Ayna nöronlar, başta işitme ve görme olmak üzere bütün duyular vasıtasıyla, dış dünyadan gelen sinyalleri alıp, adeta onların fotokopisini saklayan hücrelerdir. Bu nöronlar taklit etme ve karşıdakinden öğrenme gibi bir süreçte kendilerine verilmiş rolü hassas bir şekilde yansıtmakta ve kişiyi elinde olmadan taklide meyyal (eğilimli) hale getirmektedir. Bu durum beynin tamamen normal bir fonksiyonudur. İnsan elinde olmadan çevresindeki kişilerin mimiklerinin, hâl ve tavırlarının tesirine girer. Aynı davranışları o ânda hemen doğrudan sergilemese bile, beynine kaydeder.

     Ayna nöronlar, belli empati, sosyal ve taklitçi davranışlarla ilgili hücre gruplarıdır. Ayna nöronun hedefi izlediğimiz etkinliği yansıtmaktır. Televizyonda film seyrederken acıklı bir sahne gördüğümüzde kendimizi tutamayıp ağlamamız gayet tabiî bir hâdisedir. Kişi elinde olmadan bu davranışı göstermektedir. Bazen kendimizi gayriiradî başkalarının mimiklerini taklit ederken yakalarız veya nerede duyduğumuzu hatırlayamadığınız bir şarkının melodileri istemeden dilimize dolanır. Bir müzikal ya da tiyatro oyununu izledikten sonra bazen aynı eylemi kendimiz gerçekleştirmek isteriz ya da izlerken başka deneyimler yaşarız. Daha bilindik bir şey ise, karşınızdaki kişi yediği bir şeyden iğrendiğinde, yüzünüz sanki siz iğrenmişsiniz gibi şekil alır, hatta bazılarımızda daha ileri gider ve mideleri bulanır. Karşınızda biri esnediğinde, siz de onunla esnersiniz. Acı çeken bir canlı, kendi türünüzden olmayan bir hayvan bile görseniz, içiniz onunkisi gibi cız eder ve acır. Uzmanlara göre bahsettiklerimizin sebebi ayna nöronlardır. Ayrıca son yıllarda yapılan psikoloji araştırmalarının temelini oluşturan ayna nöronlara "sürü psikolojisinin" ortaya çıkmasında aktif rol verildiği anlaşılmaktadır. Maç seyrederken insanların birbirlerini taklidi, mitinglerde insanların daha sonraları kendilerinin bile hayretle karşıladığı aşırılık ve taşkınlıkları ayna nöronların rollerine birer örnektir.