Neurofizjologia była przedmiotem badań już od 4000 lat p.n.e.
W początkowych latach p.n.e. większość badań dotyczyła różnych naturalnych środków uspokajających, takich jak alkohol i rośliny makowe. W 1700 r. p.n.e. napisany został papirus chirurgiczny Edwina Smitha. Ten papirus był kluczowy w zrozumieniu jak starożytni Egipcjanie rozumieli układ nerwowy. Papirus ten przyglądał się różnym studiom przypadku dotyczącym urazów różnych części ciała, a w szczególności głowy. Począwszy od około 460 roku p.n.e. Hipokrates zaczął badać epilepsję i wysnuł teorię, że ma ona swoje źródła w mózgu. Hipokrates uważał również, że mózg jest zaangażowany w odczuwanie i że to właśnie z niego wywodzi się inteligencja. Hipokrates, podobnie jak większość starożytnych Greków, wierzył, że relaks i wolne od stresu środowisko są kluczowe w leczeniu zaburzeń neurologicznych. W 280 roku p.n.e., Erasistratus z Chios teoretyzował, że istniały podziały w przedsionkowym przetwarzaniu mózgu, jak również wywnioskował z obserwacji, że czucie było tam zlokalizowane.
W 177 roku Galen teoretyzował, że ludzka myśl występowała w mózgu, w przeciwieństwie do serca, jak teoretyzował Arystoteles. Skrzyżowanie wzrokowe, które jest kluczowe dla układu wzrokowego, zostało odkryte około 100 r. p.n.e. przez Marinusa. Około 1000 r. Al-Zahrawi, mieszkający na Półwyspie Iberyjskim, zaczął pisać o różnych metodach chirurgicznego leczenia zaburzeń neurologicznych. W 1216 r. Mondino de Luzzi napisał pierwszy w Europie podręcznik anatomii, w którym znalazł się opis mózgu. W 1402 roku, St Mary of Bethlehem Hospital (później znany jako Bedlam w Wielkiej Brytanii) był pierwszym szpitalem używanym wyłącznie dla chorych psychicznie.
W 1504 roku, Leonardo da Vinci kontynuował swoje badania ludzkiego ciała z woskowym odlewem ludzkiego układu komorowego. W 1536 roku Nicolo Massa opisał wpływ różnych chorób, takich jak syfilis, na układ nerwowy. Zauważył również, że jamy komorowe wypełnione są płynem mózgowo-rdzeniowym. W 1542 r. termin fizjologia został użyty po raz pierwszy przez francuskiego lekarza Jeana Fernela, aby wyjaśnić funkcje organizmu w odniesieniu do mózgu. W 1543 r. Andreas Vesalius napisał De humani corporis fabrica, która zrewolucjonizowała naukę anatomii. W książce tej opisał szyszynkę i jej funkcję, a także potrafił narysować ciało prążkowane (corpus striatum), które składa się ze zwojów podstawy i torebki wewnętrznej. W 1549 r. Jason Pratensis opublikował De Cerebri Morbis. Książka ta była poświęcona chorobom neurologicznym, omawiała objawy, a także idee Galena i innych greckich, rzymskich i arabskich autorów. Przyjrzał się również anatomii i specyficznym funkcjom różnych obszarów. W 1550 r. Andreas Vesalius pracował nad przypadkiem wodogłowia, czyli płynu wypełniającego mózg. W tym samym roku Bartolomeo Eustachi badał nerw wzrokowy, skupiając się głównie na jego pochodzeniu w mózgu. W 1564 r. Giulio Cesare Aranzio odkrył hipokamp, nazywając go tak ze względu na podobieństwo kształtu do konika morskiego.
W 1621 r. Robert Burton opublikował Anatomię melancholii, w której przyjrzał się utracie ważnych postaci w swoim życiu jako prowadzącej do depresji. W 1649 r. René Descartes badał szyszynkę. Błędnie uważał, że jest ona „duszą” mózgu i sądził, że to w niej tworzą się myśli. W 1658 roku Johann Jakob Wepfer badał pacjenta, u którego wierzył, że pęknięte naczynie krwionośne spowodowało apopleksję, czyli udar.
W 1749 roku David Hartley opublikował Obserwacje na temat człowieka, które koncentrowały się na ramie (neurologia), obowiązku (psychologia moralna) i oczekiwaniach (duchowość) oraz na tym, jak te zintegrowane ze sobą. Tekst ten był również pierwszym, w którym użyto angielskiego terminu psychology. W 1752 roku Towarzystwo Przyjaciół utworzyło azyl w Filadelfii, w Pensylwanii. Celem azylu było nie tylko zapewnienie opieki medycznej osobom chorym psychicznie, ale także zapewnienie im opiekunów i komfortowych warunków życia. W 1755 r. Jean-Baptiste Le Roy rozpoczął stosowanie terapii elektrokonwulsyjnej u osób chorych psychicznie, którą w szczególnych przypadkach stosuje się do dziś. W 1760 r. Arne-Charles badał, jak różne zmiany w móżdżku mogą wpływać na ruchy motoryczne. W 1776 roku, Vincenzo Malacarne studiował móżdżek intensywnie, i opublikował książkę wyłącznie na podstawie jego funkcji i wyglądu.
W 1784 roku, Félix Vicq-d’Azyr, odkrył czarny kolor struktury w śródmózgowiu. W 1791 roku Samuel Thomas von Sömmerring nawiązał do tej struktury, nazywając ją substantia nigra. W tym samym roku Luigi Galvani opisał rolę elektryczności w nerwach rozciętych żab. W 1808 roku Franz Joseph Gall zbadał i opublikował pracę na temat frenologii. Frenologia była błędną nauką polegającą na badaniu kształtu głowy w celu określenia różnych aspektów osobowości i funkcjonowania mózgu. W 1811 roku, Julien Jean César Legallois badał oddychanie w dysekcji zwierząt i zmianach chorobowych i znalazł centrum oddychania w medulla oblongata. W tym samym roku Charles Bell zakończył pracę nad tym, co później stało się znane jako prawo Bella-Magendiego, które porównywało różnice funkcjonalne pomiędzy grzbietowymi i brzusznymi korzeniami rdzenia kręgowego. W 1822 roku Karl Friedrich Burdach rozróżnił boczne i przyśrodkowe ciała modzelowate, a także nazwał cingulate gyrus. W 1824 r. F. Magendie zbadał i przedstawił pierwsze dowody na rolę móżdżku w równowadze, aby uzupełnić prawo Bella-Magendiego. W 1838 r. Theodor Schwann rozpoczął badania nad istotą białą i szarą w mózgu i odkrył osłonkę mielinową. Komórki te, które pokrywają aksony neuronów w mózgu, zostały nazwane od jego nazwiska komórkami Schwanna. W 1848 roku Phineas Gage, klasyczny pacjent neurofizjologii, został przebity przez żelazny pręt do ubijania w wypadku podczas eksplozji. Stał się on doskonałym studium przypadku związku między korą przedczołową a zachowaniem, podejmowaniem decyzji i konsekwencjami. W 1849 roku Hermann von Helmholtz studiował prędkość impulsów nerwowych żaby podczas badania elektryczności w ciele.
Choć z pewnością nie są to wszystkie osiągnięcia w neurofizjologii przed 1849 rokiem, te osiągnięcia były znaczące dla badania mózgu i ciała.
.