EMDR beynin ‘information prosessing’ dediğimiz bilgi işleme  modelini temel alan bir yöntemdir. Yaşanan olumsuz deneyimlerin ortaya çıkardıkları olumsuz duygular aşırı travmatik olmadıkları takdirde bir erişkinin beyni tarafından kolayca işlenir ve beyinde olumsuz duygu olarak depolanmazlar. Ancak bu normal süreç bazı durumlarda sekteye uğrar. Bir erişkin için olumsuz bir deneyimin şiddetli seviyede olması normal bilgi işleme sürecinin yetersiz kalmasına yol açar. Bir çocuk ve ergen için ise orta ve düşük seviyedeki olumsuz yaşantılarda dahi beynin bilgi işleme süreci yetersiz kalır. Bu olağan üstü şartlarda beyin yaşanan olumsuz deneyimi işleyerek atamaz. Yaşanan olumsuz olay ya da durum neticesinde ortaya çıkan ve beyinde atılamayan olumsuz duygular beynin limbik sistemi olarak isimlendiren bölgesinde hapsolur. İşte travmatik etki yaratan ve psikolojik sorunlara yol açan şey işlenmeden kalan bu olumsuz duygulardır.

Travmatik etki, travmatik anıların uzun süreler boyunca belirli epizodik hafıza alanlarında sıkışması ile oluşur. EMDR psikoterapisi de travmatik deneyimlerle ilişkili olduğu bilinen limbik sistem bölgesi ve bu bölge içinde yer alan amigdala ve thalamus organlarına etki eder. Travmatik anı kişinin zihninde canlandığında, beynin orta kısmında bulunan limbik sistemin özellikle amigdala ile ilişkili alanlarında aktivite düzeyinde artış olur, thalamus bölgesinde ise aktivite düzeyi azalır. Travmatik anı hatırlandığında sol yarım kürede bulunan ve kişisel deneyimlerin sözelleştirilmesinden sorumlu alanının (broca alanı) ise işlevselliğinde azalma görülür. Psikolojik sıkıntıların konuşma terapisi ağırlıklı olan diğer psikoterapi yöntemlerinde etkili bir şekilde çözüme kavuşamamasının temel nedeni beynin sözelleştirmeden sorumlu alanındaki bu işlev düşüklüğüdür. Travma modeli çerçevesinde uygulanan EMDR yönteminde, sadece konuşmadan ibaret sözel terapi çalışmalarının bu handikapı aşılır.  Ek olarak, travmatik deneyimler, bedensel duyum ve duygulanım durumları olarak beyinde saklandığı için de sadece sözel terapilerle işleme yapmak çok zordur. EMDR, yetersiz kalan bilgi işleme sürecini harekete geçirerek travmatik anıların adaptif biçimde yeniden entegre edilmesini kolaylaştırır. EMDR psikolojik travmanın yarattığı duygusal kilitlenmişliği açar ve kişinin doğal iyileştirici kaynaklarının harekete geçmesine izin verir. Böylece beyinde hapsolmuş/kilitli kalmış travmatik yaşantının işlenmesini mümkün kılar.

EMDR yönteminde uygulanan çift yönlü uyarımın (bilateral stimulation) temeli uyku esnasında gözlerin sağ-sol aktivasyonuna dayanır. Rüya görülen uyku safhası olan REM uykusunda, uykunun diğer safhaları ile karşılaştırıldığında artan bir göz hareketi aktivasyonu olur. Bu safhada göz yuvarları ritmik bir şekilde sağa ve sola hareket eder. EMDR psikoterapisi sırasında, göz hareketleri ile tıpkı REM uykusundakine benzer bir etki yaratılır. EMDR uygulamasındaki iki yönlü uyarımın yani gözlerin sağa ve sola hareket ettirilmesinin nedeni REM uykusundaki gibi, travmatik anıların kortikal entegrasyonunu kolaylaştırmaktır. EMDR sırasındaki iki yönlü uyarım, travmatik yaşantının sekteye uğrattığı adaptif bilgi işleme sürecini harekete geçirir ve hızlandırır. Böylelikle travmatik deneyimlerle ilişkili olduğu bilinen limbik sistem ve amigdalaya etki eder. EMDR terapisi esnasında gözlere alternatif olarak dokunsal ya da işitsel uyarımlar da bu etkiyi yaratma gücüne sahiptir.