Neurofysiologi har været genstand for studier allerede siden 4.000 f.Kr.
I de tidlige år før Kristi fødsel drejede de fleste studier sig om forskellige naturlige beroligende midler som alkohol og valmueplanter. I 1700 f.Kr. blev Edwin Smiths kirurgiske papyrus skrevet. Denne papyrus var afgørende for at forstå, hvordan de gamle egyptere forstod nervesystemet. Denne papyrus så på forskellige casestudier om skader på forskellige dele af kroppen, især på hovedet. Fra omkring 460 f.Kr. begyndte Hippokrates at studere epilepsi og teoretiserede, at epilepsi havde sit udspring i hjernen. Hippokrates teoretiserede også, at hjernen var involveret i sansning, og at det var herfra, intelligensen stammede. Hippokrates, såvel som de fleste gamle grækere, mente, at afslapning og et stressfrit miljø var afgørende for at hjælpe med at behandle neurologiske lidelser. I 280 f.Kr. teoretiserede Erasistratus af Chios, at der var opdelinger i vestibulæret, der behandler hjernen, samt udledte af observationer, at fornemmelsen var placeret der.
I 177 teoretiserede Galen, at den menneskelige tanke opstod i hjernen, i modsætning til hjertet, som Aristoteles havde teoretiseret. Det optiske chiasma, som er afgørende for det visuelle system, blev opdaget omkring 100 e.Kr. af Marinus. Omkring år 1000 begyndte Al-Zahrawi, der boede i Iberien, at skrive om forskellige kirurgiske behandlinger af neurologiske lidelser. I 1216 blev den første lærebog i anatomi i Europa, som indeholdt en beskrivelse af hjernen, skrevet af Mondino de Luzzi. I 1402 var St Mary of Bethlehem Hospital (senere kendt som Bedlam i Storbritannien) det første hospital, der udelukkende blev brugt til psykisk syge.
I 1504 fortsatte Leonardo da Vinci sine studier af menneskekroppen med en voksafstøbning af det menneskelige ventrikelsystem. I 1536 beskrev Nicolo Massa virkningerne af forskellige sygdomme, som f.eks. syfilis, på nervesystemet. Han bemærkede også, at de ventrikulære hulrum var fyldt med cerebrospinalvæske. I 1542 blev begrebet fysiologi brugt for første gang af en fransk læge ved navn Jean Fernel til at forklare kroppens funktioner i forhold til hjernen. I 1543 skrev Andreas Vesalius De humani corporis fabrica, som revolutionerede studiet af anatomi. I denne bog beskrev han pinealkirtlen, og hvad han mente, dens funktion var, og han var i stand til at tegne corpus striatum, som består af basalganglierne og den indre kapsel. I 1549 udgav Jason Pratensis De Cerebri Morbis. Denne bog var helliget neurologiske sygdomme og behandlede symptomer samt ideer fra Galen og andre græske, romerske og arabiske forfattere. Den undersøgte også de forskellige områders anatomi og specifikke funktioner. I 1550 arbejdede Andreas Vesalius på et tilfælde af hydrocephalus, dvs. væske, der fylder hjernen. Samme år studerede Bartolomeo Eustachi synsnerven og fokuserede især på dens oprindelse i hjernen. I 1564 opdagede Giulio Cesare Aranzio hippocampus, som han kaldte den sådan på grund af dens formmæssige lighed med en søhest.
I 1621 udgav Robert Burton The Anatomy of Melancholy, som så på tabet af vigtige personer i ens liv som årsag til depression. I 1649 studerede René Descartes pinealkirtlen. Han troede fejlagtigt, at den var hjernens “sjæl”, og han mente, at det var her, tankerne blev dannet. I 1658 studerede Johann Jakob Wepfer en patient, hvor han mente, at et ødelagt blodkar havde forårsaget apopleksi eller et slagtilfælde.
I 1749 udgav David Hartley Observations on Man, som fokuserede på rammen (neurologi), pligten (moralpsykologi) og forventningerne (spiritualitet), og hvordan disse integrerede i hinanden. Denne tekst var også den første, der brugte den engelske betegnelse psykologi. I 1752 oprettede Society of Friends et asylum i Philadelphia, Pennsylvania. Asylet havde til formål at give ikke blot medicinsk behandling til psykisk syge, men også at give dem plejere og behagelige levevilkår. I 1755 begyndte Jean-Baptiste Le Roy at anvende elektrokonvulsiv terapi til psykisk syge, en behandling, der stadig anvendes den dag i dag i specifikke tilfælde. I 1760 undersøgte Arne-Charles, hvordan forskellige læsioner i lillehjernen kunne påvirke motoriske bevægelser. I 1776 studerede Vincenzo Malacarne intensivt lillehjernen og udgav en bog udelukkende baseret på dens funktion og udseende.
I 1784 opdagede Félix Vicq-d’Azyr, en sortfarvet struktur i mellemhjernen. I 1791 hentydede Samuel Thomas von Sömmerring til denne struktur og kaldte den substantia nigra. Samme år beskrev Luigi Galvani elektricitetens rolle i nerverne i dissekerede frøer. I 1808 studerede og offentliggjorde Franz Joseph Gall et arbejde om frenologi. Frenologi var den fejlagtige videnskab, hvor man kiggede på hovedets form for at bestemme forskellige aspekter af personlighed og hjernefunktion. I 1811 studerede Julien Jean César Legallois åndedrættet ved dissektion af dyr og ved læsioner og fandt, at centrum for åndedrættet lå i medulla oblongata. Samme år afsluttede Charles Bell arbejdet med det, der senere blev kendt som Bell-Magendie-loven, som sammenlignede de funktionelle forskelle mellem rygmarvets dorsale og ventrale rødder. I 1822 skelnede Karl Friedrich Burdach mellem de laterale og mediale geniculære legemer og navngav gyrus cingulae. I 1824 undersøgte F. Magendie og fremlagde de første beviser for lillehjernens rolle i balanceringen for at fuldende Bell-Magendie-loven. I 1838 begyndte Theodor Schwann at studere det hvide og grå stof i hjernen og opdagede myelinskeden. Disse celler, som dækker neuronernes axoner i hjernen, er opkaldt Schwann-celler efter ham. I 1848 fik Phineas Gage, den klassiske patient inden for neurofysiologi, sin hjerne gennemboret af en jernstampstang i en sprængningsulykke. Han blev et fremragende casestudie i forbindelsen mellem den præfrontale cortex og adfærd, beslutningstagning og konsekvenser. I 1849 studerede Hermann von Helmholtz hastigheden af frøens nerveimpulser, mens han studerede elektricitet i kroppen.
Selv om dette bestemt ikke er alle udviklinger inden for neurofysiologien før 1849, var disse udviklinger af betydning for studiet af hjernen og kroppen.