Neurofiziologia a fost un subiect de studiu încă din anul 4.000 î.Hr.
În primii ani î.Hr., majoritatea studiilor se refereau la diferite sedative naturale precum alcoolul și plantele de mac. În anul 1700 î.Hr. a fost scris papirusul chirurgical Edwin Smith. Acest papirus a fost crucial în înțelegerea modului în care egiptenii antici înțelegeau sistemul nervos. Acest papirus a analizat diferite studii de caz despre leziuni la diferite părți ale corpului, mai ales la cap. Începând din jurul anului 460 î.Hr., Hipocrate a început să studieze epilepsia și a emis teoria că aceasta își are originea în creier. Hipocrate a teoretizat, de asemenea, că creierul era implicat în senzații și că din el provenea inteligența. Hipocrate, la fel ca majoritatea grecilor antici, credea că relaxarea și un mediu lipsit de stres erau esențiale pentru a ajuta la tratarea tulburărilor neurologice. În 280 î.Hr., Erasistratus din Chios a teoretizat că existau diviziuni în procesarea vestibulară a creierului, precum și a dedus din observații că senzația era localizată acolo.
În 177 Galen a teoretizat că gândirea umană se producea în creier, spre deosebire de inimă, așa cum teoretizase Aristotel. Chiasma optică, care este crucială pentru sistemul vizual, a fost descoperită în jurul anului 100 e.n. de către Marinus. În jurul anului 1000, Al-Zahrawi, care trăia în Iberia, a început să scrie despre diferite tratamente chirurgicale pentru tulburările neurologice. În 1216, primul manual de anatomie din Europa, care includea o descriere a creierului, a fost scris de Mondino de Luzzi. În 1402, Spitalul Sfânta Maria din Betleem (cunoscut mai târziu ca Bedlam în Marea Britanie) a fost primul spital folosit exclusiv pentru bolnavii mintal.
În 1504, Leonardo da Vinci și-a continuat studiul corpului uman cu un mulaj din ceară al sistemului ventricular uman. În 1536, Nicolo Massa a descris efectele diferitelor boli, cum ar fi sifilisul, asupra sistemului nervos. El a observat, de asemenea, că cavitățile ventriculare erau umplute cu lichid cefalorahidian. În 1542, termenul fiziologie a fost folosit pentru prima dată de un medic francez pe nume Jean Fernel, pentru a explica funcțiile corporale în raport cu creierul. În 1543, Andreas Vesalius a scris De humani corporis fabrica, care a revoluționat studiul anatomiei. În această carte, el a descris glanda pineală și care credea el că este funcția acesteia și a reușit să deseneze corpul striatum, care este alcătuit din ganglionii bazali și capsula internă. În 1549, Jason Pratensis a publicat De Cerebri Morbis. Această carte a fost dedicată bolilor neurologice și a discutat simptomele, precum și ideile lui Galen și ale altor autori greci, romani și arabi. De asemenea, a analizat anatomia și funcțiile specifice ale diferitelor zone. În 1550, Andreas Vesalius a lucrat la un caz de hidrocefalie, sau de umplere a creierului cu lichid. În același an, Bartolomeo Eustachi a studiat nervul optic, concentrându-se în principal asupra originii sale din creier. În 1564, Giulio Cesare Aranzio a descoperit hipocampul, numindu-l astfel datorită asemănării formei sale cu un căluț de mare.
În 1621, Robert Burton a publicat The Anatomy of Melancholy (Anatomia melancoliei), care a analizat pierderea unor personaje importante din viața cuiva ca ducând la depresie. În 1649, René Descartes a studiat glanda pineală. El credea în mod eronat că aceasta este „sufletul” creierului și credea că este locul unde se formează gândurile. În 1658, Johann Jakob Wepfer a studiat un pacient la care credea că un vas de sânge spart a provocat apoplexie sau un accident vascular cerebral.
În 1749, David Hartley a publicat Observații despre om, care se concentra pe cadru (neurologie), datorie (psihologie morală) și așteptări (spiritualitate) și pe modul în care acestea se integrau unele în altele. Acest text a fost, de asemenea, primul care a folosit termenul englezesc de psihologie. În 1752, Societatea Prietenilor a creat un azil în Philadelphia, Pennsylvania. Azilul își propunea să ofere nu numai tratament medical celor bolnavi mintal, ci și să le asigure cu îngrijitori și condiții de trai confortabile. În 1755, Jean-Baptiste Le Roy a început să folosească terapia electroconvulsivă pentru bolnavii mintal, un tratament folosit și astăzi în cazuri specifice. În 1760, Arne-Charles a studiat modul în care diferite leziuni la nivelul cerebelului pot afecta mișcările motorii. În 1776, Vincenzo Malacarne a studiat intens cerebelul și a publicat o carte bazată exclusiv pe funcția și aspectul acestuia.
În 1784, Félix Vicq-d’Azyr, a descoperit o structură de culoare neagră în mezencefal. În 1791, Samuel Thomas von Sömmerring a făcut aluzie la această structură, numind-o substantia nigra. În același an, Luigi Galvani a descris rolul electricității în nervii unor broaște disecate. În 1808, Franz Joseph Gall a studiat și publicat o lucrare despre frenologie. Frenologia era știința defectuoasă care consta în examinarea formei capului pentru a determina diferite aspecte ale personalității și ale funcției creierului. În 1811, Julien Jean César Legallois a studiat respirația în disecția și leziunile animalelor și a descoperit că centrul respirației se află în bulbul rahidian. În același an, Charles Bell a finalizat lucrările la ceea ce avea să devină mai târziu cunoscută sub numele de legea Bell-Magendie, care a comparat diferențele funcționale dintre rădăcinile dorsale și ventrale ale măduvei spinării. În 1822, Karl Friedrich Burdach a făcut distincția între corpurile geniculat lateral și medial, precum și a denumit girusul cingular. În 1824, F. Magendie a studiat și a produs prima dovadă a rolului cerebelului în echilibrare pentru a completa legea Bell-Magendie. În 1838, Theodor Schwann a început să studieze materia albă și cenușie din creier și a descoperit învelișul de mielină. Aceste celule, care acoperă axonii neuronilor din creier, poartă numele de celule Schwann, după numele său. În 1848, Phineas Gage, pacientul clasic al neurofiziologiei, a avut creierul străpuns de o tijă de tasare din fier într-un accident de explozie. El a devenit un excelent studiu de caz în ceea ce privește legătura dintre cortexul prefrontal și comportament, luarea deciziilor și consecințele. În 1849, Hermann von Helmholtz a studiat viteza impulsurilor nervoase ale broaștei în timp ce studia electricitatea în corp.
Chiar dacă acestea nu sunt cu siguranță toate dezvoltările în neurofiziologie înainte de 1849, aceste dezvoltări au fost semnificative pentru studiul creierului și al corpului.
.