Ačkoli je neurochemie jako uznávaná věda relativně nová, myšlenka neurochemie existuje již od 18. století. Původně byl mozek považován za samostatnou entitu oddělenou od periferního nervového systému. Od roku 1856 se objevila řada výzkumů, které tuto myšlenku vyvrátily. Chemické složení mozku bylo téměř totožné se složením periferního nervového systému. První velký skok ve studiu neurochemie učinil Johann Ludwig Wilhelm Thudichum, který je jedním z průkopníků v oblasti „chemie mozku“. Jako jeden z prvních vyslovil hypotézu, že mnoho neurologických onemocnění lze přičíst nerovnováze chemických látek v mozku. Byl také jedním z prvních vědců, kteří věřili, že chemickými prostředky lze naprostou většinu neurologických onemocnění léčit, ne-li vyléčit.

V 50. letech 20. století se neurochemie stala uznávanou vědeckou disciplínou. Založení neurochemie jako oboru má svůj původ v sérii „Mezinárodních neurochemických sympozií“, z nichž první svazek sympozia vydaný v roce 1954 nesl název Biochemie vyvíjejícího se nervového systému. Tato setkání vedla ke vzniku Mezinárodní neurochemické společnosti a Americké neurochemické společnosti. Na těchto prvních setkáních se diskutovalo o předběžné povaze možných neurotransmiterů, jako jsou acetylcholin, histamin, substance P a serotonin. V roce 1972 už byly myšlenky konkrétnější.

Jedním z prvních velkých úspěchů při používání chemických látek ke změně funkce mozku byl experiment s L-DOPA. V roce 1961 Walter Burkmayer aplikoval L-DOPA pacientovi s Parkinsonovou chorobou. Krátce po injekci se u pacienta drasticky snížil třes a byl schopen ovládat své svaly tak, jak už dlouho nebyl schopen. Účinek vyvrcholil během 2,5 hodiny a trval přibližně 24 hodin

.