La neurofisiología ha sido objeto de estudio desde una fecha tan temprana como el 4.000 a.C.
En los primeros años a.C., la mayoría de los estudios eran sobre diferentes sedantes naturales como el alcohol y las plantas de amapola. En el año 1700 a.C. se escribió el papiro quirúrgico de Edwin Smith. Este papiro fue crucial para entender cómo los antiguos egipcios entendían el sistema nervioso. En este papiro se estudiaban diferentes casos de lesiones en distintas partes del cuerpo, sobre todo en la cabeza. Alrededor del año 460 a.C., Hipócrates comenzó a estudiar la epilepsia y teorizó que tenía su origen en el cerebro. Hipócrates también teorizó que el cerebro estaba involucrado en la sensación, y que era de donde se derivaba la inteligencia. Hipócrates, al igual que la mayoría de los antiguos griegos, creía que la relajación y un entorno sin estrés eran cruciales para ayudar a tratar los trastornos neurológicos. En el año 280 a.C., Erasístrato de Quíos teorizó que había divisiones en el procesamiento vestibular el cerebro, además de deducir de la observación que la sensación se localizaba allí.
En el año 177 Galeno teorizó que el pensamiento humano se producía en el cerebro, a diferencia del corazón como había teorizado Aristóteles. El quiasma óptico, crucial para el sistema visual, fue descubierto hacia el año 100 por Marinus. Hacia el año 1000, Al-Zahrawi, que vivía en Iberia, comenzó a escribir sobre diferentes tratamientos quirúrgicos para los trastornos neurológicos. En 1216, Mondino de Luzzi escribió el primer libro de anatomía de Europa, que incluía una descripción del cerebro. En 1402, el Hospital de Santa María de Belén (posteriormente conocido como Bedlam en Gran Bretaña) fue el primer hospital destinado exclusivamente a los enfermos mentales.
En 1504, Leonardo da Vinci continuó su estudio del cuerpo humano con un molde de cera del sistema ventricular humano. En 1536, Nicolo Massa describió los efectos de diferentes enfermedades, como la sífilis, en el sistema nervioso. También observó que las cavidades ventriculares estaban llenas de líquido cefalorraquídeo. En 1542, un médico francés llamado Jean Fernel utilizó por primera vez el término fisiología para explicar el funcionamiento del cuerpo en relación con el cerebro. En 1543, Andreas Vesalius escribió De humani corporis fabrica, que revolucionó el estudio de la anatomía. En este libro, describió la glándula pineal y cuál creía que era su función, y fue capaz de dibujar el cuerpo estriado, que está formado por los ganglios basales y la cápsula interna. En 1549, Jasón Pratensis publicó De Cerebri Morbis. Este libro estaba dedicado a las enfermedades neurológicas, y en él se trataban los síntomas, así como las ideas de Galeno y otros autores griegos, romanos y árabes. También analizaba la anatomía y las funciones específicas de las distintas áreas. En 1550, Andreas Vesalius trabajó en un caso de hidrocefalia, o líquido que llena el cerebro. Ese mismo año, Bartolomeo Eustachi estudió el nervio óptico, centrándose principalmente en su origen en el cerebro. En 1564, Giulio Cesare Aranzio descubrió el hipocampo, denominándolo así por su parecido con la forma de un caballito de mar.
En 1621, Robert Burton publicó La anatomía de la melancolía, que consideraba que la pérdida de personajes importantes en la vida de una persona conducía a la depresión. En 1649, René Descartes estudió la glándula pineal. Creía erróneamente que era el «alma» del cerebro, y creía que era donde se formaban los pensamientos. En 1658, Johann Jakob Wepfer estudió a un paciente en el que creía que la rotura de un vaso sanguíneo había provocado una apoplejía.
En 1749, David Hartley publicó Observaciones sobre el hombre, que se centraba en el marco (neurología), el deber (psicología moral) y las expectativas (espiritualidad) y cómo se integraban entre sí. Este texto fue también el primero en utilizar el término inglés psychology. En 1752, la Sociedad de Amigos creó un asilo en Filadelfia (Pensilvania). El asilo pretendía dar no sólo tratamiento médico a los enfermos mentales, sino también proporcionarles cuidadores y condiciones de vida confortables. En 1755, Jean-Baptiste Le Roy comenzó a utilizar la terapia electroconvulsiva para los enfermos mentales, un tratamiento que todavía se utiliza hoy en día en casos específicos. En 1760, Arne-Charles estudió cómo las diferentes lesiones del cerebelo podían afectar a los movimientos motores. En 1776, Vincenzo Malacarne estudió intensamente el cerebelo y publicó un libro basado únicamente en su función y apariencia.
En 1784, Félix Vicq-d’Azyr, descubrió una estructura de color negro en el cerebro medio. En 1791, Samuel Thomas von Sömmerring aludió a esta estructura, llamándola sustancia negra. Ese mismo año, Luigi Galvani describió la función de la electricidad en los nervios de ranas disecadas. En 1808, Franz Joseph Gall estudió y publicó un trabajo sobre frenología. La frenología era la ciencia defectuosa que consistía en observar la forma de la cabeza para determinar diferentes aspectos de la personalidad y el funcionamiento del cerebro. En 1811, Julien Jean César Legallois estudió la respiración en disecciones y lesiones de animales y encontró el centro de la respiración en la médula oblonga. Ese mismo año, Charles Bell terminó sus trabajos sobre lo que más tarde se conocería como la ley de Bell-Magendie, que comparaba las diferencias funcionales entre las raíces dorsales y ventrales de la médula espinal. En 1822, Karl Friedrich Burdach distinguió entre los cuerpos geniculados lateral y medial, además de dar nombre al giro cingulado. En 1824, F. Magendie estudió y aportó las primeras pruebas del papel del cerebelo en el equilibrio para completar la ley de Bell-Magendie. En 1838, Theodor Schwann comenzó a estudiar la materia blanca y gris del cerebro y descubrió la vaina de mielina. Estas células, que cubren los axones de las neuronas en el cerebro, reciben el nombre de células de Schwann en su honor. En 1848, Phineas Gage, el paciente clásico de la neurofisiología, sufrió la perforación de su cerebro con una barra de hierro en un accidente de explosión. Se convirtió en un excelente caso de estudio sobre la conexión entre la corteza prefrontal y el comportamiento, la toma de decisiones y las consecuencias. En 1849, Hermann von Helmholtz estudió la velocidad de los impulsos nerviosos de las ranas mientras estudiaba la electricidad en el cuerpo.
Si bien estos no son ciertamente todos los desarrollos de la neurofisiología antes de 1849, estos desarrollos fueron significativos para el estudio del cerebro y el cuerpo.