神経生理学は、早ければ紀元前4000年から研究対象になっています。
紀元前初期には、ほとんどの研究はアルコールやケシ科の植物など、異なる自然の鎮静剤に関するものでした。 紀元前1700年、エドウィン・スミス手術用パピルスが書かれた。 このパピルスは、古代エジプト人が神経系をどのように理解していたかを理解する上で、極めて重要なものであった。 このパピルスでは、体のさまざまな部位、特に頭部への損傷に関するさまざまな事例が紹介されています。 紀元前460年頃から、ヒポクラテスはてんかんの研究を始め、てんかんの起源は脳にあると理論付けました。 また、ヒポクラテスは、脳が感覚に関与しており、そこから知性が生み出されていると説きました。 ヒポクラテスをはじめ、多くの古代ギリシャ人は、神経疾患の治療にはリラクゼーションとストレスのない環境が重要であると考えていました。 紀元前280年、キオスのエラシストラトスは、前庭が脳を処理する部門があることを理論化し、また観察から感覚がそこにあることを推論した
177年、ガレンは、アリストテレスが理論化していた心臓ではなく、脳で人間の考えが起こることを理論化している。 視覚系に重要な視交叉は、紀元前100年頃、マリヌスによって発見された。 1000年頃、イベリア半島に住んでいたアル・ザハラウィは、神経疾患に対するさまざまな外科的治療法について書き始めた。 1216年、モンディーノ・デ・ルッツィがヨーロッパで初めて脳の記述を含む解剖学の教科書を著した。 1402年、ベツレヘムの聖マリア病院（後に英国でベドラムと呼ばれる）が、精神障害者専用の最初の病院となりました。
1504年、レオナルド・ダ・ヴィンチが人間の脳室系の蝋人形を制作し、人体の研究を継続しました。 1536年、ニコロ・マッサは梅毒などのさまざまな病気が神経系に及ぼす影響について説明した。 彼はまた、脳室腔が脳脊髄液で満たされていることに気づいた。 1542年、フランスの医師ジャン・フェルネルが初めて生理学という言葉を使い、身体機能を脳との関連で説明した。 1543年、アンドレアス・ヴェサリウスが『De humani corporis fabrica』を著し、解剖学に革命をもたらした。 この本の中で、彼は松果体についてその機能を説明し、大脳基底核と内果からなる線条体を描くことができた。 1549年、ジェイソン・プラテンシスは『De Cerebri Morbis』を出版した。 この本は神経学的疾患について書かれたもので、症状や、ガレンをはじめとするギリシャ、ローマ、アラビアの作家の考え方も取り上げている。 また、解剖学や異なる部位の特定の機能についても調べている。 1550年、アンドレアス・ヴェサリウスは、水頭症、つまり脳に水が溜まっている症例に取り組んだ。 同年、バルトロメオ・エウスタキは視神経について研究し、主にその脳内起始部に焦点を当てた。 1564年、ジュリオ・チェーザレ・アランツィオが海馬を発見し、その形が海馬に似ていることからそう名付けました。
1621年にはロバート・バートンが「メランコリーの解剖」を発表し、人生における重要人物の喪失がうつ病につながるとしました。 1649年、ルネ・デカルトは松果体を研究した。 彼は、松果体が脳の「魂」であると勘違いし、思考がそこで形成されると信じていた。 1658年、ヨハン・ヤコブ・ヴェプファーは、血管が破れ脳卒中を起こしたと思われる患者を研究しました。
1749年、デイヴィッド・ハートレーは「人間についての観察」を発表し、フレーム（神経学）、義務（道徳心理）、期待（霊性）、これらが互いにどう統合されているかを中心に述べました。 このテキストは、心理学という英語を初めて使用したものでもあります。 1752年、友の会はペンシルバニア州フィラデルフィアに精神病院を設立した。 この精神病院は、精神を病んだ人々に医療を施すだけでなく、世話人や快適な生活環境を提供することを目的としていた。 1755年、ジャン・バティスト・ルロワは、精神病患者に対して電気けいれん療法を開始した。 1760年、アルネ＝シャルルは、小脳のさまざまな病変が運動動作にどのような影響を及ぼすかを研究した。 1776年、ヴィンチェンツォ・マラカルネが小脳を精力的に研究し、その機能と外観だけをまとめた本を出版した
1784年、フェリックス・ビック・ダジールが中脳に黒色の構造を発見した。 1791年、Samuel Thomas von Sömmerringがこの構造に言及し、黒質（substantia nigra）と名付けた。 同年、ルイジ・ガルヴァーニは、解剖したカエルの神経に電気が通っていることを発見した。 1808年、フランツ・ヨーゼフ・ガルが骨相学を研究し、作品を発表した。 骨相学とは、頭の形を見て性格や脳機能のさまざまな側面を判断する誤った科学であった。 1811年、ジュリアン・ジャン・セザール・レガロワは、動物の解剖と病変から呼吸を研究し、呼吸の中心が延髄にあることを発見した。 同年、チャールズ・ベルは、脊髄の背側根と腹側根の機能差を比較し、後にベル・マジェンディの法則として知られるようになる研究を完成させた。 1822年、カール・フリードリッヒ・ブルダハが外側性器状体と内側性器状体を区別し、帯状回を命名した。 1824年、F.マジェンディは、小脳が平衡に関与しているという最初の証拠を研究・作成し、ベル・マジェンディの法則を完成させた。 1838年、テオドール・シュワンは、脳の白質と灰白質の研究を始め、ミエリン鞘を発見した。 脳の神経細胞の軸索を覆っているこの細胞は、彼の名をとってシュワン細胞と呼ばれている。 1848年、神経生理学の古典的患者であるフィニアス・ゲージは、発破事故の際に鉄製タンピングロッドで脳を貫通させられた。 彼は、前頭前野と行動、意思決定、結果との関連性を示す優れた事例となった。 1849 年、ヘルマン・フォン・ヘルムホルツは、体内の電気を研究する一方で、カエルの神経インパルスの速度を研究しました。
これらが 1849 年までの神経生理学の発展のすべてではないことは確かですが、これらの発展は脳と身体の研究にとって重要なものでした。