Biologisch gezien zijn er verschillende processen die bijdragen aan de ervaring van synesthesie tijdens een LSD-trip. Ten eerste is er de verhoogde activiteit in de visuele cortex, die verantwoordelijk is voor het verwerken van visuele informatie. Wanneer LSD deze gebieden stimuleert, kunnen visuele prikkels worden versterkt, wat leidt tot levendige kleuren en patronen. Tegelijkertijd kan de auditieve cortex ook worden geactiveerd, waardoor geluiden intenser en meer gelaagd worden ervaren. Deze gecombineerde activatie kan resulteren in een synesthetische ervaring, waarbij de zintuigen in elkaar overlopen.
Daarnaast speelt de amygdala, een hersengebied dat betrokken is bij emotionele verwerking, ook een rol. LSD kan de activiteit van de amygdala verminderen, wat kan leiden tot een afname van angst en een toename van positieve emoties. Dit kan de gebruiker in staat stellen om zich open te stellen voor nieuwe ervaringen en de grenzen van hun perceptie te verkennen. De combinatie van verhoogde zintuiglijke waarneming en verminderde angst kan een vruchtbare bodem creëren voor synesthetische ervaringen.
Niet iedereen die LSD gebruikt synesthesie zal ervaren. De gevoeligheid voor synesthesie kan variëren van persoon tot persoon, afhankelijk van genetische factoren, eerdere ervaringen met psychedelica en de specifieke context van de trip. Sommige mensen kunnen een sterke synesthetische ervaring hebben, terwijl anderen misschien slechts milde of geen synesthetische effecten ervaren.