神经解剖的研究早在16世纪就开始了，但是真正用科学方法来研究神经生理学则始于18世纪末。19世纪中后叶，关于神经的基本组织单位、先天的反射活动和后天建立起来的反射行为等已经成为生理学家感兴趣的问题。
到20世纪，神经生理学发展很快，从结构、组织、生理、生化、胚胎、药理、病理等行为许多方面开展了大量研究。神经生理学这一名称遂扩大而被称为神经生物学。有时也称为神经科学。
一、神经系统结构的研究
西班牙的神经组织学家拉蒙·伊·卡哈尔在19世纪80年代建立起神经元理论，指出神经系统，包括中神经系统枢和外周神经均由具有特殊结构的神经细胞——神经元组成，各个神经元之间有连接点。神经元理论的建立取代了过去不是建立在细胞基础上的网络理论，为研究神经传导奠定了科学基础。19、20世纪交替之际英国生理学家谢灵顿在拉蒙·伊·卡哈尔的基础上继续进行这方面的研究。1897年，谢灵顿把神经细胞之间的连接点定名为“突触”，它成为以后研究神经传递的一个重要概念。1910年谢灵顿进一步提出由于有突触存在，神经脉冲不是随机地在神经细胞间传入传出，而是通过突触的单向传导。
经过许多人的工作，到20世纪初已经明确突触是有结构的。从20年代直到20世纪50年代通过高倍电子显微镜的观察表明，突触前和后有两个分开的膜，分属突触前后两个神经元，中间的200埃间隙，称为突触间隙。这样的结构普遍存在于神经系统中。电镜的观察还表明，突触前靠近膜处有突触小泡等其他结构。突触小泡后来证明是神经递质贮存的场所。
二、神经兴奋的电传导
早在1791年，意大利解剖学家伽伐尼就发现了生物电现象。19世纪有更多的生理学家从事电生理的研究。取得了测定神经电传导的速度、发现“全或无”定律等许多成果。20世纪有了示波器和电子放大器，特别是30年代英国生理学家J.扬于1933年以乌贼大神经纤维作为研究材料后，对神经电传导的电阻、电位及其在刺激前后的变化等都进行了定量的测量。40年代，英国生理学家霍奇金、赫胥黎和B.卡茨进而研究钠，钾离子同神经传导的关系。他们发现：在静止状态时神经纤维膜为“钾膜”，钾离子可以通透，趋向于钾的平衡电位；在活动时则为“钠膜”，对钠离子有极大的通透性，趋向于钠的平衡。因此动作电位的产生，本质上是“钾膜”转变为“钠膜”，而且这种转变是可逆的。
三、神经化学递质的研究
生物科学与健康1905年英国生理学家埃利奥特发现用电刺激交感神经的结果同肾上腺素引起的反应类似，并认为这很可能是当电脉冲到达肌肉连结点时释放了肾上腺素。这项工作当时并未引起重视。1921年奥地利的勒维用蛙心做实验，直接证明在心肌上的交感神经末梢和副交感神经末梢释放出两种不同的化学物质，一种使心跳减速，另一种使心跳加速。英国生理学家戴尔早在1914年就从麦角中分离出乙酰胆碱。后来勒维认为副交感神经对心肌的作用同乙酰胆碱类似。1926年，在戴尔建议下，勒维用毒扁豆碱抑制乙酰胆碱酶的活性，使乙酰胆碱能保持一定量。同时也观察到副交感神经作用加强和延长的效果。1932年前后，戴尔又作了一系列的实验，取得了乙酰胆碱存在于内脏器官神经末梢的直接证据。此后，乙酰胆碱作为神经递质则扩大到横纹肌神经末梢、交感副交感神经节和中枢神经系统中的某些神经细胞的末梢等方面。这项开创性的研究为此后神经递质的研究打下了良好的基础。至于交感神经末梢递质是去甲肾上腺素首先是美国生理学家坎农和其合作者在1934～1935年提取出“交感素”，1946年瑞典生理学家奥伊勒才阐明其为去甲肾上腺素。第二次世界大战后，特别是自1960年以来，对脑内递质开展了不少研究。除了上述已知的两种递质外，还发现了约30种不同的递质，各在一定的部位，各有不同的作用。
它们有些是氨基酸，如甘氨酸、丙氨基丁酸等；有些是胺类，如儿茶酚胺类的多巴胺，去甲肾上腺素和肾上腺素等；还有些是多肽类。20世纪70年代脑啡肽的发现为神经系统内抗痛机理的研究开辟了新的前景。
四、脑功能的研究
伯纳尔，法国生理学家英国生理学家谢灵顿的工作是同“反射”活动联系在一起的。他本来想研究大脑的反射活动。由于太复杂难以着手，才于1893年从研究膝跳开始，研究感觉神经元、运动神经元以及由一个或多个中间神经元连接起来共同协作所形成的反射弧。为阐明这一神经系统的整个过程，他花了约10年的时间。第一次世界大战之后，他提出抑制的概念，并认为抑制过程同兴奋过程同等重要。他还研究了不同类型的协调反射，以及大脑或小脑对脊髓反射中枢的影响。俄国生理学家巴甫洛夫在20世纪初建立起“条件反射”的概念。他证明条件反射是大脑活动的结果，可以由后天训练得来。他利用条件反射对大脑的兴奋与抑制过程作了大量研究，不仅对生理而且对心理、精神病以及教育等都有一定影响。
关于脑功能区的定位问题，到19世纪才有人提出：大脑主司感觉与思考，延髓为活命中枢，小脑主协调躯体运动。对人的大脑皮层功能区的研究，开始于19世纪对尸体解剖的观察，如失语症同额叶中央前回底部之前的损伤有关等。在人脑上用电刺激研究功能定位，开始于20世纪30年代。德国神经外科医生O.弗尔斯特和加拿大神经生理学家W.G.彭菲尔德在外科手术时，在清醒的病人身上，用电刺激大脑的不同部位引起不同反应。根据这种结果绘制出人的大脑皮层功能区域图表明，感觉区集中在中央后回，运动区集中在中央前回，这些区域的每一处都同身体的一定部位相联系，但皮层部分的大小与实际体表部分不成比例，而同控制的精确度成比例。
美国脑生理学家斯佩里从1世纪40年代就开始用猫和猴子做实验，切断大脑两半球间的连接，进行观察。60年代，他同医生合作，对癫痫病人作两半球割裂治疗时观察到：两半球分工不同，各自具有相当的独立性。两个半球分别具有高级智慧机能，但语言主要在左侧；当外界视像进入左半球时，可以用语言表达出来；当外界视像进入右半球时，则不能用语言而只能以手势来表达。这一工作改变了原来对大脑功能区看法，引起了人们的重视。
19世纪70年代英国生理学家卡顿用兔、猫、猴等40头动物作测量，发现它们的大脑普遍存在着电的变化。15年后，这一现象又由波兰生理学家A.贝克独立发现。此后，脑电才引起科学界的注意，进入20世纪后开始作脑电记录。
1925年德国精神病学家伯杰用灵敏度高的电极插在他儿子的头上作脑电测定，发现有心理活动时（如注意等）脑电波发生变化。
他还记录了脑损伤时的脑电图，为后者用于临床诊断奠定了基础。从20世纪50年代开始，脑电的研究向着探索与特定知觉有关的信号方向发展，开展了诱发电位的研究工作。英国由道森于50年代初建立起世界上第一个记录瞬态诱发电位的装置。20世纪60年代，又引入傅立叶分析仪，使研究工作取得新进展。到70年代对人的视觉、听觉、甚至婴儿的感觉，都有了灵敏的检查指标，不仅在临床上得到广泛应用，也为进一步探索脑功能提供了条件。
20世纪在感觉生理学上最受重视和发展最快的是中枢神经系统对外界感觉的加工，在如何识别信号、如何形成感知方面已取得了一些阶段性成果：①神经网络上侧抑制的发现。出生在匈牙利的美国生理学家贝凯西发现在视觉系统中有互相抑制的作用，有助于加强视觉中的反差效应。②神经纤维的感受域。这是英国生理学家阿德里安在1930年前后提出的概念。他的实验发现许多感受器都会引起同一根神经纤维的反应，因此他把这一纤维所联系的许多感受器的区域称为感受域。③大脑皮层存在着“粒”状细胞群的“功能结构”。20世纪60～70年代的研究初步表明，大脑大约有1亿至100亿细胞，它们是有序的，在感知外界事物的信息加工过程中是遵循一定的法则的，而且各种感觉都有共同规律。
从历史的发展看，神经生理学、特别是大脑功能的研究，已成为继分子遗传学以后吸引科学家进行探索的一个重要领域。