Neurofisiologia tem sido um assunto de estudo desde 4.000 a.C.
Nos primeiros anos a.C., a maioria dos estudos foram de diferentes sedativos naturais como o álcool e as plantas de papoila. Em 1700 a.C., foi escrito o papiro cirúrgico Edwin Smith. Este papiro foi crucial para entender como os antigos egípcios entendiam o sistema nervoso. Este papiro analisou diferentes estudos de caso sobre lesões em diferentes partes do corpo, mais notadamente na cabeça. A partir de aproximadamente 460 a.C., Hipócrates começou a estudar a epilepsia, e teorizou que ela tinha suas origens no cérebro. Hipócrates também teorizou que o cérebro estava envolvido na sensação, e que era dele que derivava a inteligência. Hipócrates, assim como a maioria dos antigos gregos, acreditava que o relaxamento e um ambiente livre de stress era crucial para ajudar a tratar os distúrbios neurológicos. Em 280 a.C., Erasistratus de Chios teorizou que havia divisões no processamento vestibular do cérebro, assim como deduziu da observação que a sensação estava localizada ali.
Em 177 Galen teorizou que o pensamento humano ocorria no cérebro, ao contrário do coração como Aristóteles teorizou. O quiasma óptico, que é crucial para o sistema visual, foi descoberto por volta de 100 EC por Marinus. Circa 1000, Al-Zahrawi, vivendo na Ibéria, começou a escrever sobre diferentes tratamentos cirúrgicos para distúrbios neurológicos. Em 1216, o primeiro livro de anatomia na Europa, que incluía uma descrição do cérebro, foi escrito por Mondino de Luzzi. Em 1402, o Hospital St Mary of Bethlehem (mais tarde conhecido como Bedlam na Grã-Bretanha) foi o primeiro hospital usado exclusivamente para doentes mentais.
Em 1504, Leonardo da Vinci continuou seu estudo do corpo humano com um molde de cera do sistema ventricular humano. Em 1536, Nicolo Massa descreveu os efeitos de diferentes doenças, como a sífilis, no sistema nervoso. Ele também notou que as cavidades ventriculares estavam cheias de líquido cefalorraquidiano. Em 1542, o termo fisiologia foi usado pela primeira vez por um médico francês chamado Jean Fernel, para explicar a função corporal em relação ao cérebro. Em 1543, Andreas Vesalius escreveu De humani corporis fabrica, que revolucionou o estudo da anatomia. Neste livro, ele descreveu a glândula pineal e o que ele acreditava ser a função, e foi capaz de desenhar o corpus striatum que é formado pelos gânglios basais e a cápsula interna. Em 1549, Jason Pratensis publicou De Cerebri Morbis. Este livro foi dedicado às doenças neurológicas, e discutiu sintomas, assim como idéias de Galen e de outros autores gregos, romanos e árabes. Também se debruçou sobre a anatomia e funções específicas de diferentes áreas. Em 1550, Andreas Vesalius trabalhou em um caso de hidrocefalia, ou fluido que preenchia o cérebro. No mesmo ano, Bartolomeo Eustachi estudou o nervo óptico, concentrando-se principalmente na sua origem no cérebro. Em 1564, Giulio Cesare Aranzio descobriu o hipocampo, nomeando-o assim devido à sua forma semelhante a um cavalo marinho.
Em 1621, Robert Burton publicou A Anatomia da Melancolia, que considerava a perda de personagens importantes na vida como levando à depressão. Em 1649, René Descartes estudou a glândula pineal. Ele acreditava erroneamente que era a “alma” do cérebro, e acreditava que era onde os pensamentos se formavam. Em 1658, Johann Jakob Wepfer estudou um paciente no qual ele acreditava que um vaso sanguíneo quebrado tinha causado apoplexia, ou um derrame.
Em 1749, David Hartley publicou Observações sobre o Homem, que se concentravam em enquadramento (neurologia), dever (psicologia moral) e expectativas (espiritualidade) e como estas se integravam umas nas outras. Este texto foi também o primeiro a utilizar o termo inglês psicologia. Em 1752, a Sociedade de Amigos criou um asilo na Filadélfia, Pennsylvania. O asilo visava não só dar tratamento médico aos doentes mentais, mas também proporcionar-lhes cuidados e condições de vida confortáveis. Em 1755, Jean-Baptiste Le Roy começou a usar terapia eletroconvulsiva para os doentes mentais, um tratamento ainda hoje usado em casos específicos. Em 1760, Arne-Charles estudou como diferentes lesões no cerebelo podiam afetar os movimentos motores. Em 1776, Vincenzo Malacarne estudou intensamente o cerebelo e publicou um livro exclusivamente baseado na sua função e aparência.
Em 1784, Félix Vicq-d’Azyr, descobriu uma estrutura de cor preta no cérebro médio. Em 1791 Samuel Thomas von Sömmerring aludiu a esta estrutura, chamando-a de substantia nigra. No mesmo ano, Luigi Galvani descreveu o papel da eletricidade nos nervos dos sapos dissecados. Em 1808, Franz Joseph Gall estudou e publicou trabalhos sobre frenologia. Frenologia foi a ciência defeituosa de olhar a forma da cabeça para determinar diferentes aspectos da personalidade e função cerebral. Em 1811, Julien Jean César Legallois estudou a respiração em dissecções e lesões animais e encontrou o centro da respiração na medula oblonga. No mesmo ano, Charles Bell terminou o trabalho no que mais tarde ficaria conhecido como a lei Bell-Magendie, que compara as diferenças funcionais entre as raízes dorsais e ventrais da medula espinhal. Em 1822, Karl Friedrich Burdach distinguiu entre os corpos geniculado lateral e medial, assim como nomeou o giro cingulado. Em 1824, F. Magendie estudou e produziu a primeira evidência do papel do cerebelo no equilíbrio para completar a lei Bell-Magendie. Em 1838, Theodor Schwann começou a estudar a matéria branca e cinzenta no cérebro, e descobriu a bainha de mielina. Estas células, que cobrem os axônios dos neurônios no cérebro, recebem o nome de células de Schwann em seu nome. Em 1848, Phineas Gage, o paciente clássico da neurofisiologia, teve seu cérebro perfurado por uma haste de ferro em um acidente com explosivos. Ele se tornou um excelente estudo de caso na conexão entre o córtex pré-frontal e o comportamento, tomada de decisões e conseqüências. Em 1849, Hermann von Helmholtz estudou a velocidade dos impulsos nervosos da rã enquanto estudava a eletricidade no corpo.
Embora estes certamente não sejam todos os desenvolvimentos em neurofisiologia antes de 1849, estes desenvolvimentos foram significativos para o estudo do cérebro e do corpo.