När neurokemi är en erkänd vetenskap är den relativt ny, men idén bakom neurokemi har funnits sedan 1700-talet. Ursprungligen hade man trott att hjärnan var en separat enhet skild från det perifera nervsystemet. Från och med 1856 kom en rad undersökningar som motbevisade den tanken. Hjärnans kemiska sammansättning var nästan identisk med sammansättningen av det perifera nervsystemet. Det första stora språnget framåt i studiet av neurokemi kom från Johann Ludwig Wilhelm Thudichum, som är en av pionjärerna inom området ”hjärnkemi”. Han var en av de första som ställde hypotesen att många neurologiska sjukdomar kunde tillskrivas en obalans av kemikalier i hjärnan. Han var också en av de första vetenskapsmännen som trodde att man med hjälp av kemiska medel kunde behandla, om inte bota, den stora majoriteten av neurologiska sjukdomar.

På 1950-talet blev neurokemi en erkänd vetenskaplig forskningsdisciplin. Grundandet av neurokemi som disciplin spårar sitt ursprung till en serie ”internationella neurokemiska symposier”, av vilka den första symposievolymen som publicerades 1954 hade titeln Biochemistry of the Developing Nervous System (Biokemi av det utvecklande nervsystemet). Dessa möten ledde till bildandet av International Society for Neurochemistry och American Society for Neurochemistry. Vid dessa tidiga sammankomster diskuterade man den preliminära karaktären hos möjliga neurotransmittorsubstanser som acetylkolin, histamin, substans P och serotonin. År 1972 var idéerna mer konkreta.

En av de första stora framgångarna med att använda kemikalier för att förändra hjärnans funktion var L-DOPA-experimentet. År 1961 injicerade Walter Burkmayer L-DOPA i en patient med Parkinsons sjukdom. Kort efter injektionen fick patienten en drastisk minskning av skakningarna och de kunde kontrollera sina muskler på ett sätt som de inte hade kunnat göra på länge. Effekten kulminerade inom 2,5 timmar och varade ungefär 24 timmar.