În timp ce neurochimia ca știință recunoscută este relativ nouă, ideea din spatele neurochimiei a existat încă din secolul al XVIII-lea. Inițial, s-a crezut că creierul era o entitate separată, în afară de sistemul nervos periferic. Începând cu 1856, a existat un șir de cercetări care au infirmat această idee. Compoziția chimică a creierului era aproape identică cu cea a sistemului nervos periferic. Primul mare salt înainte în studiul neurochimiei a fost făcut de Johann Ludwig Wilhelm Thudichum, care este unul dintre pionierii în domeniul „chimiei creierului”. El a fost unul dintre primii care a emis ipoteza că multe boli neurologice ar putea fi atribuite unui dezechilibru al substanțelor chimice din creier. El a fost, de asemenea, unul dintre primii oameni de știință care a crezut că, prin mijloace chimice, marea majoritate a bolilor neurologice ar putea fi tratate, dacă nu vindecate.

În anii 1950, neurochimia a devenit o disciplină de cercetare științifică recunoscută. Întemeierea neurochimiei ca disciplină își are originile într-o serie de „Simpozioane internaționale de neurochimie”, dintre care primul volum al simpozionului publicat în 1954 a fost intitulat Biochimia sistemului nervos în dezvoltare. Aceste reuniuni au dus la formarea Societății Internaționale de Neurochimie și a Societății Americane de Neurochimie. Aceste prime întruniri au discutat despre caracterul provizoriu al posibilelor substanțe neurotransmițătoare, cum ar fi acetilcolina, histamina, substanța P și serotonina. Până în 1972, ideile erau mai concrete.

Unul dintre primele succese majore în utilizarea substanțelor chimice pentru a modifica funcțiile creierului a fost experimentul cu L-DOPA. În 1961, Walter Burkmayer a injectat L-DOPA la un pacient cu boala Parkinson. La scurt timp după injectare, pacientul a avut o reducere drastică a tremurăturilor și a fost capabil să-și controleze mușchii într-un mod în care nu mai reușise de mult timp. Efectul a atins apogeul în 2,5 ore și a durat aproximativ 24 de ore.

.