Neurofysiologie is al sinds 4000 v.Chr. een onderwerp van studie
In de vroege jaren voor Christus werden de meeste studies gedaan naar verschillende natuurlijke kalmerende middelen zoals alcohol en papaverplanten. In 1700 v. Chr. werd de chirurgische papyrus van Edwin Smith geschreven. Deze papyrus was van cruciaal belang om te begrijpen hoe de oude Egyptenaren het zenuwstelsel begrepen. In dit papyrus werden verschillende casestudies behandeld over verwondingen aan verschillende delen van het lichaam, met name aan het hoofd. Vanaf ongeveer 460 v. Chr. begon Hippocrates epilepsie te bestuderen, en hij theoretiseerde dat deze haar oorsprong had in de hersenen. Hippocrates had ook een theorie dat de hersenen betrokken waren bij het gevoel, en dat het de plaats was waar intelligentie vandaan kwam. Hippocrates en de meeste oude Grieken geloofden dat ontspanning en een stressvrije omgeving van cruciaal belang waren voor de behandeling van neurologische aandoeningen. In 280 v. Chr. theoretiseerde Erasistratus van Chios dat de hersenen verdeeld waren in de vestibulaire verwerking, en leidde uit observatie af dat het gevoel zich daar bevond.
In 177 theoretiseerde Galenus dat het menselijk denken zich in de hersenen afspeelde, in tegenstelling tot het hart zoals Aristoteles had theoretiseerd. Het optische chiasme, dat van cruciaal belang is voor het visuele systeem, werd rond 100 v. Chr. ontdekt door Marinus. Rond het jaar 1000 begon Al-Zahrawi, die in Iberië woonde, te schrijven over verschillende chirurgische behandelingen voor neurologische aandoeningen. In 1216 werd het eerste anatomische leerboek in Europa, dat een beschrijving van de hersenen bevatte, geschreven door Mondino de Luzzi. In 1402 was het St Mary of Bethlehem Hospital (later bekend als Bedlam in Groot-Brittannië) het eerste ziekenhuis dat uitsluitend voor geesteszieken werd gebruikt.
In 1504 zette Leonardo da Vinci zijn studie van het menselijk lichaam voort met een wassen afgietsel van het menselijke ventrikelsysteem. In 1536 beschreef Nicolo Massa de effecten van verschillende ziekten, zoals syfilis, op het zenuwstelsel. Hij merkte ook op dat de ventriculaire holten gevuld waren met cerebrospinaal vocht. In 1542 werd de term fysiologie voor het eerst gebruikt door een Franse arts, Jean Fernel, om de werking van het lichaam in relatie tot de hersenen uit te leggen. In 1543 schreef Andreas Vesalius De humani corporis fabrica, dat een revolutie betekende in de studie van de anatomie. In dit boek beschreef hij de pijnappelklier en wat volgens hem de functie daarvan was, en was hij in staat het corpus striatum te tekenen, dat bestaat uit de basale ganglia en het inwendige kapsel. In 1549 publiceerde Jason Pratensis De Cerebri Morbis. Dit boek was gewijd aan neurologische ziekten, en besprak de symptomen, alsmede ideeën van Galenus en andere Griekse, Romeinse en Arabische auteurs. Het ging ook in op de anatomie en de specifieke functies van verschillende gebieden. In 1550 werkte Andreas Vesalius aan een geval van hydrocephalus, of vocht dat de hersenen vult. In datzelfde jaar bestudeerde Bartolomeo Eustachi de oogzenuw, waarbij hij zich vooral richtte op de oorsprong ervan in de hersenen. In 1564 ontdekte Giulio Cesare Aranzio de hippocampus, die hij zo noemde vanwege de gelijkenis in vorm met een zeepaardje.
In 1621 publiceerde Robert Burton The Anatomy of Melancholy, waarin hij het verlies van belangrijke karakters in iemands leven beschouwde als leidend tot depressie. In 1649 bestudeerde René Descartes de pijnappelklier. Hij geloofde ten onrechte dat het de “ziel” van de hersenen was, en geloofde dat het de plaats was waar gedachten werden gevormd. In 1658 bestudeerde Johann Jakob Wepfer een patiënt, waarvan hij geloofde dat een gebroken bloedvat apoplexie, of een beroerte, had veroorzaakt.
In 1749 publiceerde David Hartley Observations on Man, dat zich richtte op frame (neurologie), plicht (morele psychologie) en verwachtingen (spiritualiteit) en hoe deze in elkaar integreerden. Deze tekst was ook de eerste waarin de Engelse term psychologie werd gebruikt. In 1752 stichtte de Society of Friends een gesticht in Philadelphia, Pennsylvania. Het gesticht wilde niet alleen medische behandeling geven aan geesteszieken, maar ook zorgen voor verzorgers en comfortabele leefomstandigheden. In 1755 begon Jean-Baptiste Le Roy met de toepassing van elektroconvulsietherapie voor geesteszieken, een behandeling die tot op de dag van vandaag in specifieke gevallen wordt toegepast. In 1760 bestudeerde Arne-Charles hoe verschillende laesies in het cerebellum de motorische bewegingen konden beïnvloeden. In 1776 bestudeerde Vincenzo Malacarne intensief het cerebellum, en publiceerde een boek dat uitsluitend gebaseerd was op de functie en het uiterlijk ervan.
In 1784 ontdekte Félix Vicq-d’Azyr, een zwart gekleurde structuur in de middenhersenen. In 1791 verwees Samuel Thomas von Sömmerring naar deze structuur en noemde het de substantia nigra. In hetzelfde jaar beschreef Luigi Galvani de rol van elektriciteit in de zenuwen van ontlede kikkers. In 1808 bestudeerde en publiceerde Franz Joseph Gall een werk over frenologie. Frenologie was de foutieve wetenschap waarbij naar de vorm van het hoofd werd gekeken om verschillende aspecten van de persoonlijkheid en de hersenfunctie vast te stellen. In 1811 bestudeerde Julien Jean César Legallois de ademhaling bij dierlijke dissectie en laesies en vond het centrum van de ademhaling in de medulla oblongata. In hetzelfde jaar voltooide Charles Bell zijn werk aan wat later bekend zou worden als de wet van Bell-Magendie, die de functionele verschillen tussen de dorsale en ventrale wortels van het ruggenmerg vergeleek. In 1822 maakte Karl Friedrich Burdach onderscheid tussen de laterale en mediale geniculate lichamen, en noemde hij de cingulate gyrus. In 1824 bestudeerde F. Magendie de rol van het cerebellum in de evenwichtsregulatie en leverde het eerste bewijs hiervoor om de wet van Bell-Magendie te voltooien. In 1838 begon Theodor Schwann de witte en grijze stof in de hersenen te bestuderen en ontdekte hij de myelineschede. Deze cellen, die de axonen van de neuronen in de hersenen bedekken, worden naar hem Schwanncellen genoemd. In 1848 werd Phineas Gage, de klassieke neurofysiologiepatiënt, tijdens een ontploffingsongeval doorboord door een ijzeren stootblok in de hersenen. Hij werd een uitstekende casestudy over het verband tussen de prefrontale cortex en gedrag, besluitvorming en gevolgen. In 1849 bestudeerde Hermann von Helmholtz de snelheid van kikkerzenuwimpulsen terwijl hij de elektriciteit in het lichaam bestudeerde.
Hoewel dit zeker niet alle ontwikkelingen in de neurofysiologie vóór 1849 zijn, waren deze ontwikkelingen van betekenis voor de studie van de hersenen en het lichaam.