Míg a neurokémia mint elismert tudomány viszonylag új, a neurokémia mögötti elképzelés már a 18. század óta létezik. Eredetileg úgy gondolták, hogy az agy a perifériás idegrendszertől különálló egység. Az 1856-ban kezdődő kutatások sora cáfolta ezt az elképzelést. Az agy kémiai összetétele szinte teljesen megegyezett a perifériás idegrendszerével. Az első nagy előrelépést a neurokémia tanulmányozásában Johann Ludwig Wilhelm Thudichum tette, aki az “agykémia” egyik úttörője. Ő volt az elsők között, aki feltételezte, hogy számos neurológiai betegség az agyban lévő vegyi anyagok kiegyensúlyozatlanságára vezethető vissza. Ő volt az egyik első tudós is, aki úgy vélte, hogy kémiai eszközökkel a neurológiai betegségek túlnyomó többsége kezelhető, ha nem is gyógyítható.

A neurokémia az 1950-es években vált elismert tudományos kutatási területté. A neurokémia mint tudományág megalapítása a “Nemzetközi Neurokémiai Szimpóziumok” sorozatára vezethető vissza, amelyek közül az első szimpózium 1954-ben megjelent kötete A fejlődő idegrendszer biokémiája címet viselte. Ezek a találkozók vezettek a Nemzetközi Neurokémiai Társaság és az Amerikai Neurokémiai Társaság megalakulásához. Ezek a korai összejövetelek a lehetséges neurotranszmitter anyagok, például az acetilkolin, a hisztamin, a Substance P és a szerotonin előzetes jellegét vitatták meg. 1972-re az elképzelések konkrétabbá váltak.

Az agyműködés megváltoztatására használt vegyi anyagok egyik első nagy sikere az L-DOPA-kísérlet volt. Walter Burkmayer 1961-ben L-DOPA-t injekciózott egy Parkinson-kóros betegbe. Röviddel az injekció beadása után a páciensnél drasztikusan csökkent a remegés, és olyan módon tudta irányítani az izmait, amire már régóta nem volt képes. A hatás 2,5 órán belül tetőzött, és körülbelül 24 órán át tartott.