目前氙气对于脑血流、颅内压以及脑代谢的影响各研究结论不一，但大部分研究结果都支持氙气具有脑保护作用，其保护作用可能与降低兴奋性神经毒性、维持稳定脑灌注压、利于围手术期脑功能检测和早期脑功能判断等方面有关。谷氨酸受体的过度活化涉及多个病理生理过程，细胞Ca2+内流增加，由NMDA受体介导引发生化级联反应，最终导致神经细胞死亡，这种由NMDA受体过度激活引起的神经毒性称为兴奋性神经毒性，被认为是脑血管意外、心搏骤停和创伤性脑损伤后急性神经元损伤的基础。

氙气作为NMDA受体拮抗剂，可降低应激状态下急性神经元损伤。一项随机临床试验对院外心搏骤停后昏迷患者进行颅脑磁共振成像发现，接受氙气治疗的患者脑白质损伤面积小于接受常规治疗的患者。目前研究认为，氙气脑保护的原因之一是可提供稳定的脑灌注压，术中减少或避免使用血管活性药可能利于患者术后恢复。在Law等的系统回顾性研究中，分析了31项氙气与其他吸入麻醉药的对比研究以及12项氙气和静脉麻醉药丙泊酚的对比研究，结果发现，术中接受氙气吸入麻醉的患者术中血流动力学更稳定。

进行术中唤醒麻醉时，在维持良好镇静水平的前提下，药物还需要维持，利于术中快速苏醒的特性，氙气则具有安全和快速唤醒相结合的理论优势。Kulikov等在一项关于单纯氙气麻醉用于脑肿瘤开颅手术术中唤醒安全性及有效性的临床观察中指出，在不应用其他麻醉药物的前提下，采用氙气和局部麻醉相结合的方式，可满足67.5%的患者开颅手术。

Kulikova等研究发现，与丙泊酚相比，氙气麻醉用于术中唤醒时可以提供更短的苏醒时间。麻醉药对发育中的大脑存在神经毒性作用，Alam等指出，与其他大部分麻醉药相比，氙气作为有效的麻醉辅助药，既对发育中的大脑具有较轻的神经毒性，也具有神经保护作用，故对于大脑处于发育期的患儿，氙气麻醉具有潜在的应用价值。