O advento das técnicas de imageamento cerebral funcional e o subsequente refinamento dos estudos no campo das Neurociências têm favorecido importantes descobertas acerca das mudanças nas estruturas neurais promovidas pela Terapia Cognitivo-Comportamental (TCC), e, sobretudo, no entendimento dos correlatos neurais interligados aos quadros psicopatológicos. O presente trabalho tem como objetivo apresentar um enfoque integrativo entre essas duas áreas e revelar como juntas elas podem contribuir para uma compreensão neurobiológica e biopsicossocial dos transtornos mentais, por meio das evidências de alterações comportamentais e neurais decorrentes das intervenções em TCC. Para tal, desenvolveu-se uma revisão bibliográfica de cunho exploratório acerca dos principais aspectos e conceitos básicos da TCC, da neuroplasticidade, e sobre a associação e colaboração entre este modelo de psicoterapia e as neurociências. Tais pesquisas contemplaram produções em português e inglês, publicadas no período compreendido entre 2004 e 2022. Nesse ínterim, evidenciou-se que as estratégias utilizadas pela psicoterapia cognitivo-comportamental permitem a modificação e adaptação dos pensamentos e das crenças distorcidas dos indivíduos, e que a partir dos estímulos proporcionados ao longo do tratamento o cérebro torna-se capaz de sofrer modificações plásticas nas suas estruturas e estabelecer novas conexões. Portanto, foi constatada a relação entre as mudanças neuroanatômicas e funcionais com as alterações cognitivas e comportamentais decorrentes da terapia, sendo notável o papel de diversas áreas cerebrais como o córtex pré-frontal e as estruturas do sistema límbico no processamento de informações e na regulação das emoções em sintomatologias clínicas. A partir disso, pode-se afirmar que a integração dos conhecimentos no campo da Neurociência Cognitiva ao tratamento na Terapia Cognitivo-Comportamental é de grande valia para o desenvolvimento de intervenções alinhadas aos quadros psicopatológicos e especialmente para o reconhecimento da eficácia do tratamento baseado em evidências científicas.