运动学习是一个复杂的生理、心理过程，涉及诸多身体机能的密切交互作用，通过这个过程，可以不断地扩展我们的运动技能。Jeannerod提出的运动模仿理论（motor simulation theory）对运动学习的认知研究产生了较深的影响。该理论认为认知运动状态下大脑对即将进行的动作进行结果预演和可行性评估，主要形式为动作观察和运动想象，运动想象、动作观察和试图理解动作意图等认知运动状态能够激活大脑中参与运动执行的运动系统，它们在没有外显运动的情况下却激活了运动系统。
动作观察和运动想象都被证明是在运动学习中发挥作用，但它们在运动的学习过程中发挥作用的时期也是不尽相同的，而且以一定的认知神经机制为基础。在运动学习的初期也就是快速发展阶段，强调对直觉、理解相关动作和身体内部和外部的各种线索的认知，在这一阶段动作观察发挥重要的作用。镜像神经元系统参与运动模拟，在观察到动作时肌肉的兴奋性大幅度提升，同时镜像神经元系统的功能不是与生俱有的，而是通过感觉运动学习后期获得的。镜像神经元系统的动作观察学习通过视觉获取和行为感知在大量的示范信息中选择观察对象，并从示范中提取信息，因此，选择性注意起着关键作用。观察者自身的经历、认知能力、知觉定向、唤醒水平等因素决定观察者有选择的注意某些信息而忽略其他信息。观察者将观察所获得的示范性信息在大脑中进行加工储存，以备后用。对观察信息的储存方式有主要分为言语编码和表象，因为言语和表象两种形式能转换成相对稳定的认知结构保存在记忆系统之中。
在运动学习的前期主要目标是学习与动作操作相关的各种知识，很难在大脑中形成清晰、具体的动作表征。随着练习的时间增长，前期认知阶段的知识得到了使用，各个部分内容建立起固定的联系，神经过程逐渐形成分化抑制，兴奋和抑制在空间和时间上更加准确。例如：此时，已经可以在大脑形成较为完整的动作表征，学习者可以通过运动想象在大脑中呈现动作模拟并与实际的动作执行比对，如果两者相符得出巩固技术动作的结论，学习继续进行；如果不相符就可以发出修正的指令，进行必要的调整或学习过程停止。同时运动想象以自身为参照物进行反复的模拟练习以提升运动表现，与运动模仿理论不谋而合，运动模仿理论认为运动想象对运动学习的增进效应可能与心理训练过程中对动作表征的心理模拟有关，运动想象实际的参与了运动系统，并且也导致了运动神经系统的可塑性提高，这与实际的物理练习导致的可塑性变化相同，继而提高与实际动作行为相同的学习效果。