Die Neurophysiologie wird bereits seit 4.000 v. Chr. erforscht.
In den frühen Jahren v. Chr. befassten sich die meisten Studien mit verschiedenen natürlichen Beruhigungsmitteln wie Alkohol und Mohnpflanzen. Um 1700 v. Chr. wurde der chirurgische Papyrus von Edwin Smith verfasst. Dieses Papyrus war entscheidend dafür, wie die alten Ägypter das Nervensystem verstanden. In diesem Papyrus wurden verschiedene Fallstudien über Verletzungen an verschiedenen Körperteilen, vor allem am Kopf, untersucht. Um 460 v. Chr. begann Hippokrates, die Epilepsie zu studieren, und stellte die Theorie auf, dass sie ihren Ursprung im Gehirn hat. Hippokrates stellte auch die Theorie auf, dass das Gehirn an den Empfindungen beteiligt ist und die Intelligenz von dort stammt. Wie die meisten alten Griechen glaubte auch Hippokrates, dass Entspannung und eine stressfreie Umgebung bei der Behandlung neurologischer Störungen von entscheidender Bedeutung sind. Im Jahr 280 v. Chr. stellte Erasistratus von Chios die Theorie auf, dass es Unterteilungen im Vestibularapparat gibt, die das Gehirn verarbeiten, und schloss aus der Beobachtung, dass die Empfindung dort angesiedelt ist.
Im Jahr 177 stellte Galen die Theorie auf, dass das menschliche Denken im Gehirn stattfindet und nicht im Herzen, wie Aristoteles angenommen hatte. Das Chiasma opticum, das für das visuelle System entscheidend ist, wurde um 100 n. Chr. von Marinus entdeckt. Um das Jahr 1000 begann der in Iberien lebende Al-Zahrawi, über verschiedene chirurgische Behandlungen von neurologischen Erkrankungen zu schreiben. Im Jahr 1216 verfasste Mondino de Luzzi das erste Anatomielehrbuch in Europa, das auch eine Beschreibung des Gehirns enthielt. 1402 war das St. Mary of Bethlehem Hospital (später in Großbritannien als Bedlam bekannt) das erste Krankenhaus, das ausschließlich für Geisteskranke genutzt wurde.
1504 setzte Leonardo da Vinci seine Studien über den menschlichen Körper mit einem Wachsabdruck des menschlichen Ventrikelsystems fort. Im Jahr 1536 beschrieb Nicolo Massa die Auswirkungen verschiedener Krankheiten, wie z.B. der Syphilis, auf das Nervensystem. Er stellte auch fest, dass die Ventrikelhöhlen mit Liquor gefüllt waren. Im Jahr 1542 wurde der Begriff Physiologie zum ersten Mal von dem französischen Arzt Jean Fernel verwendet, um die Körperfunktionen in Bezug auf das Gehirn zu erklären. 1543 verfasste Andreas Vesalius das Werk De humani corporis fabrica, das das Studium der Anatomie revolutionierte. In diesem Buch beschrieb er die Zirbeldrüse und ihre Funktion und zeichnete den Corpus striatum, der aus den Basalganglien und der inneren Kapsel besteht. Im Jahr 1549 veröffentlichte Jason Pratensis De Cerebri Morbis. Dieses Buch war den neurologischen Krankheiten gewidmet und behandelte die Symptome sowie die Ideen von Galen und anderen griechischen, römischen und arabischen Autoren. Es befasste sich auch mit der Anatomie und den spezifischen Funktionen der verschiedenen Bereiche. Im Jahr 1550 untersuchte Andreas Vesalius einen Fall von Hydrocephalus, d. h. einer Flüssigkeitsansammlung im Gehirn. Im selben Jahr untersuchte Bartolomeo Eustachi den Sehnerv, wobei er sich vor allem auf seinen Ursprung im Gehirn konzentrierte. 1564 entdeckte Giulio Cesare Aranzio den Hippocampus, den er aufgrund seiner Ähnlichkeit mit einem Seepferdchen so nannte.
Im Jahr 1621 veröffentlichte Robert Burton The Anatomy of Melancholy, in dem er den Verlust wichtiger Personen im Leben als Ursache für Depressionen betrachtete. Im Jahr 1649 untersuchte René Descartes die Zirbeldrüse. Er glaubte fälschlicherweise, dass sie die „Seele“ des Gehirns sei und dass sich dort die Gedanken bildeten. 1658 untersuchte Johann Jakob Wepfer einen Patienten, von dem er annahm, dass ein geplatztes Blutgefäß einen Schlaganfall verursacht hatte.
1749 veröffentlichte David Hartley Observations on Man (Beobachtungen über den Menschen), in dem er sich auf den Rahmen (Neurologie), die Pflicht (Moralpsychologie) und die Erwartungen (Spiritualität) konzentrierte und wie diese ineinander übergehen. Dieser Text war auch der erste, in dem der englische Begriff Psychologie verwendet wurde. 1752 gründete die Gesellschaft der Freunde in Philadelphia, Pennsylvania, ein Asyl. Die Anstalt sollte nicht nur der medizinischen Behandlung psychisch Kranker dienen, sondern auch für Pflegepersonal und komfortable Lebensbedingungen sorgen. 1755 begann Jean-Baptiste Le Roy mit der Elektrokrampftherapie für Geisteskranke, eine Behandlung, die auch heute noch in bestimmten Fällen angewendet wird. 1760 untersuchte Arne-Charles, wie sich verschiedene Läsionen des Kleinhirns auf die motorischen Bewegungen auswirken konnten. Vincenzo Malacarne beschäftigte sich 1776 intensiv mit dem Kleinhirn und veröffentlichte ein Buch, das sich ausschließlich mit dessen Funktion und Aussehen befasste.
1784 entdeckte Félix Vicq-d’Azyr eine schwarz gefärbte Struktur im Mittelhirn. 1791 wies Samuel Thomas von Sömmerring auf diese Struktur hin und nannte sie die Substantia nigra. Im selben Jahr beschrieb Luigi Galvani die Rolle der Elektrizität in den Nerven von sezierten Fröschen. Im Jahr 1808 untersuchte und veröffentlichte Franz Joseph Gall Arbeiten zur Phrenologie. Die Phrenologie war eine fehlerhafte Wissenschaft, bei der die Form des Kopfes untersucht wurde, um verschiedene Aspekte der Persönlichkeit und der Gehirnfunktion zu bestimmen. 1811 untersuchte Julien Jean César Legallois die Atmung bei der Sektion von Tieren und bei Läsionen und fand das Zentrum der Atmung in der Medulla oblongata. Im selben Jahr beendete Charles Bell seine Arbeit an dem später als Bell-Magendie-Gesetz bekannt gewordenen Ansatz, der funktionelle Unterschiede zwischen dorsalen und ventralen Wurzeln des Rückenmarks verglich. 1822 unterschied Karl Friedrich Burdach zwischen dem lateralen und dem medialen Genicularkörper und benannte den Gyrus cingulatus. 1824 untersuchte F. Magendie die Rolle des Kleinhirns bei der Äquilibrierung, um das Bell-Magendie-Gesetz zu vervollständigen, und erbrachte den ersten Beweis dafür. 1838 begann Theodor Schwann, die weiße und graue Substanz des Gehirns zu untersuchen, und entdeckte die Myelinscheide. Diese Zellen, die die Axone der Neuronen im Gehirn umhüllen, werden nach ihm Schwann-Zellen genannt. 1848 wurde Phineas Gage, der klassische Patient der Neurophysiologie, bei einem Sprengunfall von einer eisernen Stopfstange im Gehirn durchbohrt. Er wurde zu einem hervorragenden Fallbeispiel für den Zusammenhang zwischen dem präfrontalen Kortex und Verhalten, Entscheidungsfindung und Konsequenzen. Im Jahr 1849 untersuchte Hermann von Helmholtz die Geschwindigkeit der Nervenimpulse von Fröschen, während er die Elektrizität im Körper untersuchte.
Während dies sicherlich nicht alle Entwicklungen in der Neurophysiologie vor 1849 sind, waren diese Entwicklungen für die Untersuchung des Gehirns und des Körpers von Bedeutung.