Neurofysiologi har varit föremål för studier sedan så tidigt som 4 000 f.Kr.
Under de tidiga f.Kr.-åren handlade de flesta studierna om olika naturliga lugnande medel som alkohol och vallmoväxter. År 1700 f.Kr. skrevs Edwin Smiths kirurgiska papyrus. Denna papyrus var avgörande för att förstå hur de gamla egyptierna uppfattade nervsystemet. Denna papyrus tittade på olika fallstudier om skador på olika delar av kroppen, framför allt på huvudet. Med början omkring 460 f.Kr. började Hippokrates studera epilepsi och teoretiserade att den hade sitt ursprung i hjärnan. Hippokrates teoretiserade också att hjärnan var inblandad i känslor och att det var därifrån intelligensen härstammade. Hippokrates, liksom de flesta gamla greker, ansåg att avslappning och en stressfri miljö var avgörande för att hjälpa till att behandla neurologiska sjukdomar. År 280 f.Kr. teoretiserade Erasistratos av Chios att det fanns uppdelningar i den vestibulära bearbetningen av hjärnan, samt drog slutsatsen av observationer att känslan var lokaliserad där.
År 177 teoretiserade Galen att den mänskliga tanken skedde i hjärnan, i motsats till hjärtat som Aristoteles hade teoretiserat. Det optiska chiasmet, som är avgörande för det visuella systemet, upptäcktes omkring 100 e.Kr. av Marinus. Omkring år 1000 började Al-Zahrawi, som bodde i Iberien, skriva om olika kirurgiska behandlingar för neurologiska sjukdomar. År 1216 skrev Mondino de Luzzi den första anatomiläroboken i Europa som innehöll en beskrivning av hjärnan. År 1402 var St Mary of Bethlehem Hospital (senare känt som Bedlam i Storbritannien) det första sjukhuset som enbart användes för psykiskt sjuka.
1504 fortsatte Leonardo da Vinci sina studier av människokroppen med en vaxavgjutning av det mänskliga ventrikelsystemet. År 1536 beskrev Nicolo Massa effekterna av olika sjukdomar, till exempel syfilis, på nervsystemet. Han noterade också att ventrikelhålorna var fyllda med cerebrospinalvätska. År 1542 användes begreppet fysiologi för första gången av en fransk läkare vid namn Jean Fernel för att förklara kroppsliga funktioner i förhållande till hjärnan. År 1543 skrev Andreas Vesalius De humani corporis fabrica, som revolutionerade studiet av anatomi. I denna bok beskrev han tallkottkörteln och vad han trodde att dess funktion var, och kunde rita corpus striatum som består av basalganglierna och den inre kapseln. År 1549 publicerade Jason Pratensis De Cerebri Morbis. Denna bok ägnades åt neurologiska sjukdomar och diskuterade symtom samt idéer från Galen och andra grekiska, romerska och arabiska författare. Den undersökte också anatomin och de specifika funktionerna i olika områden. År 1550 arbetade Andreas Vesalius med ett fall av hydrocefalus, eller vätska som fyller hjärnan. Samma år studerade Bartolomeo Eustachi synnerven, främst med fokus på dess ursprung i hjärnan. År 1564 upptäckte Giulio Cesare Aranzio hippocampus och kallade den så på grund av att dess form liknade en sjöhäst.
År 1621 publicerade Robert Burton The Anatomy of Melancholy (Melankoliens anatomi), där han såg på förlusten av viktiga personer i ens liv som en orsak till depression. År 1649 studerade René Descartes tallkottkörteln. Han trodde felaktigt att den var hjärnans ”själ” och trodde att det var där tankarna formades. År 1658 studerade Johann Jakob Wepfer en patient där han trodde att ett trasigt blodkärl hade orsakat apoplexi, eller en stroke.
1749 publicerade David Hartley Observations on Man, som fokuserade på ramar (neurologi), plikter (moralpsykologi) och förväntningar (andlighet) och hur dessa integrerades i varandra. Denna text var också den första som använde den engelska termen psykologi. År 1752 inrättade Society of Friends en anstalt i Philadelphia, Pennsylvania. Asylet syftade inte bara till att ge medicinsk behandling till psykiskt sjuka, utan också till att förse dem med vårdare och bekväma levnadsförhållanden. År 1755 började Jean-Baptiste Le Roy använda elektrokonvulsiv terapi för psykiskt sjuka, en behandling som fortfarande används idag i specifika fall. År 1760 studerade Arne-Charles hur olika skador i lillhjärnan kunde påverka motoriska rörelser. År 1776 studerade Vincenzo Malacarne intensivt lillhjärnan och publicerade en bok enbart baserad på dess funktion och utseende.
År 1784 upptäckte Félix Vicq-d’Azyr, en svartfärgad struktur i mellanhjärnan. År 1791 anspelade Samuel Thomas von Sömmerring på denna struktur och kallade den substantia nigra. Samma år beskrev Luigi Galvani elektricitetens roll i nerver i dissekerade grodor. År 1808 studerade Franz Joseph Gall och publicerade ett arbete om frenologi. Frenologi var den felaktiga vetenskapen där man tittade på huvudets form för att avgöra olika aspekter av personlighet och hjärnans funktion. År 1811 studerade Julien Jean César Legallois andningen vid dissektion och skador på djur och fann andningens centrum i medulla oblongata. Samma år avslutade Charles Bell arbetet med det som senare skulle bli känt som Bell-Magendie-lagen, som jämförde funktionella skillnader mellan ryggmärgens dorsala och ventrala rötter. År 1822 gjorde Karl Friedrich Burdach åtskillnad mellan de laterala och mediala genikulära kropparna samt namngav gyrus cinguli. År 1824 studerade F. Magendie och lade fram de första bevisen för lillhjärnans roll i jämvikten för att komplettera Bell-Magendie-lagen. År 1838 började Theodor Schwann studera vit och grå substans i hjärnan och upptäckte myelinskidan. Dessa celler, som täcker axonerna hos neuronerna i hjärnan, har fått namnet Schwann-celler efter honom. År 1848 fick Phineas Gage, den klassiska neurofysiologipatienten, sin hjärna genomborrad av en stampstång av järn vid en sprängningsolycka. Han blev en utmärkt fallstudie om sambandet mellan den prefrontala cortex och beteende, beslutsfattande och konsekvenser. År 1849 studerade Hermann von Helmholtz hastigheten hos grodans nervimpulser samtidigt som han studerade elektricitet i kroppen.
Men även om detta säkerligen inte är all utveckling inom neurofysiologin före 1849, så var denna utveckling betydelsefull för studiet av hjärnan och kroppen.