While neurochemia jako uznanej nauki jest stosunkowo nowy, pomysł za neurochemii jest wokół od 18 wieku . Pierwotnie, mózg był uważany za oddzielną jednostkę oprócz obwodowego układu nerwowego. Począwszy od 1856 roku, nastąpił ciąg badań, które obaliły ten pomysł. Chemiczny makijaż mózgu był prawie identyczny z makijażem peryferyjnego układu nerwowego. Pierwszy duży skok naprzód w badaniach neurochemii dokonał Johann Ludwig Wilhelm Thudichum, który jest jednym z pionierów w dziedzinie „chemii mózgu”. Był on jednym z pierwszych, którzy wysunęli hipotezę, że wiele chorób neurologicznych można przypisać zaburzeniu równowagi substancji chemicznych w mózgu. Był również jednym z pierwszych naukowców, którzy wierzyli, że poprzez środki chemiczne, zdecydowana większość chorób neurologicznych może być leczona, jeśli nie wyleczona.

W latach 50-tych, neurochemia stała się uznaną dyscypliną badań naukowych. Początki neurochemii jako dyscypliny sięgają serii „Międzynarodowych Sympozjów Neurochemicznych”, z których pierwszy tom sympozjalny opublikowany w 1954 roku nosił tytuł Biochemia Rozwijającego się Układu Nerwowego. Spotkania te doprowadziły do powstania Międzynarodowego Towarzystwa Neurochemii i Amerykańskiego Towarzystwa Neurochemii. Na tych wczesnych spotkaniach omawiano wstępną naturę możliwych substancji neuroprzekaźnikowych, takich jak acetylocholina, histamina, substancja P i serotonina. Przez 1972, pomysły były bardziej concrete.

Jeden z pierwszych głównych sukcesów w użyciu substancji chemicznych do zmiany funkcji mózgu był eksperyment L-DOPA. W 1961 roku, Walter Burkmayer wstrzyknął L-DOPA do pacjenta z chorobą Parkinsona. Wkrótce po wstrzyknięciu, u pacjenta drastycznie zmniejszyły się drżenia i był on w stanie kontrolować swoje mięśnie w sposób, w jaki nie był w stanie od dłuższego czasu. Efekt osiągnął maksimum w ciągu 2,5 godziny i utrzymywał się przez około 24 godziny.