De neurochemie als erkende wetenschap is betrekkelijk nieuw, maar het idee achter de neurochemie bestaat al sinds de 18e eeuw. Oorspronkelijk dacht men dat de hersenen een aparte entiteit waren, los van het perifere zenuwstelsel. Vanaf 1856 was er een reeks onderzoeken die dat idee weerlegden. De chemische samenstelling van de hersenen was bijna identiek aan de samenstelling van het perifere zenuwstelsel. De eerste grote sprong voorwaarts in de studie van de neurochemie kwam van Johann Ludwig Wilhelm Thudichum, die een van de pioniers is op het gebied van de “hersenchemie”. Hij was een van de eersten die veronderstelde dat veel neurologische ziekten konden worden toegeschreven aan een onevenwicht van chemische stoffen in de hersenen. Hij was ook een van de eerste wetenschappers die geloofde dat met chemische middelen de overgrote meerderheid van neurologische ziekten kon worden behandeld, zo niet genezen.

In de jaren 1950 werd de neurochemie een erkende wetenschappelijke onderzoeksdiscipline. De neurochemie als discipline vindt haar oorsprong in een reeks “Internationale Neurochemische Symposia”, waarvan het eerste in 1954 gepubliceerde symposiumvolume de titel droeg: Biochemistry of the Developing Nervous System. Deze bijeenkomsten leidden tot de oprichting van de International Society for Neurochemistry en de American Society for Neurochemistry. Deze vroege bijeenkomsten bespraken de aarzelende aard van mogelijke neurotransmitterstoffen zoals acetylcholine, histamine, stof P, en serotonine. Tegen 1972 waren de ideeën concreter.

Een van de eerste grote successen bij het gebruik van chemicaliën om de hersenfunctie te veranderen was het L-DOPA experiment. In 1961 injecteerde Walter Burkmayer L-DOPA bij een patiënt met de ziekte van Parkinson. Kort na de injectie nam het trillen drastisch af en was de patiënt in staat zijn spieren te controleren op een manier waartoe hij lange tijd niet in staat was geweest. Het effect bereikte zijn hoogtepunt binnen 2,5 uur en duurde ongeveer 24 uur.