يتم إجراء عملية التحفيز العميق للدماغ في خطوتين. يتم أولا زرع الأسلاك الرقيقة التي تنقل الإشارات الكهربائية إلى مناطق معينة من الدماغ و ذلك بمساعدة صور وخرائط دماغ المريض. يتم إبقاء المريض مستيقظا أثناء العملية حتى يتم التأكد من وضع الأسلاك في المكان المناسب من اجل السيطرة على أعراض المرض المراد علاجه . من ثم  يضع الجراح الجهاز الصغير الذي يشبه جهاز تنظيم ضربات القلب أو ما يسمى بمحفز الأعصاب في اليوم نفسه أو في يوم أخر تحت جلد الصدر ويتم ربط الأسلاك به باستخدام وصلات التمديد. في هذا الجزء من الجراحة يكون المريض تحت التخدير العام. يمكن بعد ذلك إيصال الإشارات الكهربائية من محفز الأعصاب إلى الدماغ .عادة لا يتم تشغيل نظام التحفيز العميق للدماغ إلا بعد شفاء المريض من الجراحة.