Pendant la séance, une bobine de cuivre est placée en externe au contact du crâne du champ électromagnétique focalisé et patient, selon une inclinaison précise, et induit un champ électromagnétique focalisé et répété en regard d’une région cérébrale spécifique (cortex préfrontal dorsolatéral dans le cas de la dépression).

La neurostimulation par rTMS permet ainsi de moduler l’excitabilité de la surface du cortex dépolarisations neuronales favorisant certaines en regard de la bobine et d’induire des dépolarisations neuronales favorisant certaines voies de neurotransmission : sérotoninergique, noradrénergique, dopaminergique, gabaergique et glutamatergique. Lorsque ces stimulations sont utilisées de façon répétée, soit d’inhiber (fréquence de stimulation ≤ 1Hz) soit d’activer (≥ 5 Hz) la zone du cortex cérébral ciblé, et d’obtenir ainsi un effet thérapeutique.

L’effet de ces stimulations ne reste pas uniquement focal mais diffuse dans un réseau anatomo-fonctionnel permettant d’atteindre des structures en profondeur et de modifier la connectivité fonctionnelle entre les régions cérébrales. L’axe hypothalamo-hypophyso-surrénalien, habituellement perturbé dans les pathologies en lien avec un stress chronique, peut ainsi être normalisé.
La rTMS va également agir sur le métabolisme cérébral en modifiant le flux sanguin régional, la consommation de glucose ou d’oxygène en regard de la stimulation.

L’effet d’une seule stimulation est immédiat mais s’atténue rapidement. Il est donc indispensable de « répéter » les stimulations pour permettre un effet durable dans l’amélioration de la plasticité synaptique temps. Les effets à long terme sont dus à une amélioration de la plasticité synaptique et à un effet neuroprotecteur induit par la rTMS.