Στη σύγχρονη διαγνωστική και θεραπευτική της νευροχειρουργικής χρησιμοποιούνται τεχνικές της νευροακτινολογίας  όπως η υπολογιστική αξονική τομογραφία (ΥΑΤ ή CT - από τα αρχικά του αγγλικού όρου computed tomography), η μαγνητική συντονιστική τομογραφία (ΜΣΤ ή MRI - magnetic resonance imaging), η τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίου (ΤΕΠ ή PET - positron emission tomography), η μαγνητοεγκεγαλογραφία (ΜΕΓ ή MEG - magnetoencephalography) και η στερεοταξία. Σε ορισμένες νευροχειρουργικές επεμβάσεις χρησιμοποιείται διεγχειρητικός μαγνητικός τομογράφος και λειτουργική μαγνητική τομογραφία.

Σε πολλούς τομείς της νευροχειρουργικής χρησιμοποιούνται, επίσης, μικροχειρουργικές τεχνικές. Για τη χειρουργική παράκαμψη της έξω με την έσω καρωτίδα είναι απαραίτητη η χρήση της αγγειακής μικροαναστόμωσης. Ο αποκλεισμός των εγκεφαλικών ανευρυσμάτων γίνεται με τη βοήθεια χειρουργικού μικροσκοπίου. Η ελάχιστα επεμβατική χειρουργική της σπονδυλικής στήλης, (όπως η μικροδισκεκτομή και η τοποθέτηση τεχνητών δίσκων), βασίζεται σε παρόμοιες τεχνικές.

Οι νευροχειρουργοί μετέρχονται ελάχιστα επεμβατικές τεχνικές με τη χρήση νευροενδοσκοποίου. Αυτές περιλαμβάνουν για παράδειγμα την ενδοσκοπική διαρρινική προσπέλαση που χρησιμοποιείται για όγκους της υποφύσεως, για κρανιοφαρυγγιώματα, χορδώματα και για την αποκατάσταση διαφυγών του εγκεφαλονωτιαίου υγρού (ΕΝΥ). Το ενδοσκόπιο, ακόμη, χρησιμοποιείται για τη θεραπεία παθήσεων των κοιλιών του εγκεφάλου, όπως η κολλοειδής κύστη και η νευροκυστικέρκωση, αλλά και υποβοηθητικά στην παροχέτευση αιματωμάτων και στη νευραλγία τριδύμου. Η ενδοσκοπική κοιλιοστομία αποτελεί επί συγκεκριμένων ενδείξεων εναλλακτική μέθοδο αντιμετώπισης της υδροκεφαλίας.

Η αποκατάσταση κρανιοπροσωπικών δυσμορφιών και διαταραχών της ομαλής κυκλοφορίας του εγκεφαλονωτιαίου υγρού, πραγματοποιείται από τους νευροχειρουργούς και κατά περίπτωση από τους πλαστικούς χειρουργούς. Ελλείμματα του οστικού κρανίου αποκαθίστανται με κρανιοπλαστική.

Οι νευροχειρουργοί σε συνεργασία με τους ακτινοθεραπευτές ειδικεύονται στη Στερεοτακτική Ακτινοχειρουργική για να θεραπεύσουν όγκους και αρτηριοφλεβώδεις δυσπλασίες. Χρησιμοποιούνται ακτινοχειρουργικές τεχνικές όπως το Gamma knife (ακτινοχειρουργική με ακτίνες γ) και το Cyberknife (ρομποτική ακτινοχειρουργική).

Τα τελευταία χρόνια έχουν καθιερωθεί στη νευροχειρουργική οι απεικονθστικά υποβοηθούμενες επεμβάσεις, όπως οι ενδαγγειακές για τη θεραπεία ανευρυσμάτων, αρτηριοφλεβωδών δυσπλασιών, στένωσης της καρωτίδος, εγκεφαλικών επεισοδίων, δυσπλασιών του νωτιαίου μυελού και του αγγειόσπασμου. Χρησιμοποιούνται τεχνικές αγγειοπλαστικής, τοποθέτησης ενδαγγειακών πλεγμάτων (stenting), εμβολισμού, αναρρόφησης θρόμβων και η διαγνωστική αγγειογραφία. Παρόμοιες, αλλά όχι ενδαγγειακές, επεμβάσεις είναι η κυφοπλαστική και η σπονδυλοπλαστική.