被广泛认为试图理解大脑、心智和行为之间关系的神经心理学有着悠久的历史，但直到20世纪60年代，它才成为一个自主的科研领域。尽管一些证据表明，“神经心理学”一词及其衍生词在 19 世纪甚至更早的医学著作中偶尔出现，但该词在20世纪4、50年代才通过北美有影响力的心理学家 Lashley, Hebb, and Teuber获得一定的知名度。
神经心理学作为一门独立的科学学科，其正式诞生可以追溯到 1963 年。当时一本名为《Neuropsychologia》的国际专业期刊在一小群神经学家、心理学家和精神病学家的倡议下开始出版，彼时他们参加了一个名为“国际神经心理学研讨会”的非正式讨论论坛。在该期刊的第一期中，总编辑、法国神经学家Henry Hécaen在一份未署名的宣言中阐述了神经心理学的范围和目标。根据宣言，创办一本新期刊和一门新的独特学科——神经心理学，旨在满足许多传统领域的研究人员的需求。更具体地说，“神经心理学”一词被理解为神经学家、精神病学家、心理学家和神经生理学家共同关注的特定神经病学领域，其兴趣主要但不限于大脑皮层以及语言、感知和行动障碍上。人们意识到，虽然这些疾病中有些只能在成人身上研究，但对于理解基本脑机制和人类病理学具有重要价值的信息也有望来自动物实验、学习和条件反射的行为学研究，以及对儿童正常发育的分析。
第二年，另一本专门研究神经系统和行为的期刊问世，这说明该领域已经成熟，可以发表不止一种专业出版物了。这本期刊名为《Cortex》，Aleksandr Luria 关于神经心理学在诊断局部脑损伤中作用的开篇文章证实了该期刊坦率的神经心理学特征。同年，1964 年，由 R L Isaacson 编辑的读物出版；这本名为《神经心理学基础读物》的出版物收集了来自科学期刊的 16 篇论文，其中 14 篇报道了动物实验，证实了这种方法对于神经心理学新领域的重要性。
上述出版物中明确或含蓄提出的神经心理学概念将学科的边界扩展到了其主要根源之一的范围之外，即在 19 世纪和 20 世纪初应用于脑损伤患者心理功能障碍研究的解剖临床方法。受颅相学启发，但比之更具有科学性的解剖临床方法致力于相信心理功能在大脑中是可定位的，并且大脑组织是一个集各种专门化功能中心的有序系统，这些中心由离散和选择性解剖连接相连。通过尸检确定的特定脑区的病变被证明与某特定心理能力存在系统关系，尤其是在携带该病变的患者中只有该能力丧失，而其他能力保留，这一研究使得大脑中存在功能定位的假设得到证明。基于这种方法，一批研究人员已经能够在大脑皮层的特定区域定位一些特定的心理功能，特别是在语言和自主运动控制领域，强化了大脑由一组中心组成的观点。在某种意义上类似于颅相学的大脑，每个中心都有自己的功能专长。解剖-临床方法的生理连接主义（the physiological connectionism）假设功能中心之间的相互作用是通过连接皮质区域的离散纤维通路产生的，因此临床症状和综合征存在两种来源：一为假定的功能中心的病变，二是纤维通路的中断以及随之产生的功能中心间的断连。这种定位-连接主义（localization-connectionist）观点不仅得到了现有脑解剖学和人类神经病理学知识的支持，还从对实验动物的局限性脑损伤和电刺激影响的研究中得到支持，尽管这些影响仅限于基本的感觉和运动功能。
尽管取得了许多无可争议的成就，但在20世纪的头几十年，定位-连接主义方法受到了来自不同角度的严厉批评，尤其是对一战中遭受导弹袭击的年轻士兵进行了详细的临床检查后。
有影响力的临床神经学家，如 Monakow、Head、Marie 和 Goldstein，对他们的前辈（被讽刺为大脑制图师和图表制作者）相当粗糙的解剖学和行为分析感到不满，与Hughlings Jackson一样，反对根据皮层病变的行为效应将正常心理功能归因于皮层。他们认为，任何在大脑中定位语言和其他高级神经功能的尝试都是徒劳的，并相信高级神经功能的障碍最好归咎于大脑组织的弥漫性改变，而初级运动和感觉缺陷可能恰恰与脑损伤的特定部位有关，例如枕叶内不同子弹轨迹导致的离散的、地形组织的视野损失。
同时，以整体为导向的心理学流派所接受的大脑组织的一般理论似乎在很大程度上与通过特定的纤维路径连接大脑中心的心理功能定位理论大相径庭。激进的学习理论家倾向于将发育中的神经系统描述为一个随机的、非结构化的、本质上是等电位的网络，通过使用、实践和调节将其塑造成一个功能自适应的系统。Lashley可能是当时最著名的生理心理学家，他在大鼠损伤实验的基础上，基于皮层的质量作用和功能等势性，设计出大脑的一般理论，并由此推出，功能缺陷的严重程度与移除的皮层数量相关，与损伤部位无关，并且大多数感知和学习功能几乎可以由皮层的任何部分提供。另一方面，心理神经同构的格式塔学说与定位-连接主义观点形成鲜明对比，它将心理功能背后的大脑活动等同于体积导体在整个皮层传播的扩散电场，而不是沿着正统神经元回路传播的不同模式的神经冲动。
最后，行为主义极端分子漠视大脑-行为关系，他们主张将行为分析限制在整个生物体的直接可观察的输入-输出关系上，完全无视任何独立的神经生理学证据。
这些反对定位和连接主义的观点既不是完全不合逻辑，也不是完全缺乏一些事实证据。例如，在发育过程中确实会产生过多的神经元和神经元连接，其中许多在功能上是不适当的，必须在成熟后期通过自然环境的作用加以消除。同样地，大脑也不是一个由各类中心组成的镶嵌体，功能特殊的神经元群往往分布在大脑各处，而不是集中在限定的中心。但20世纪中叶起，神经科学的发展毫无疑问地证明了，解剖学和生理学的特异性和选择性是大脑组织的标志，在这种组织中，既没有质量作用的空间，也没有功能等势性的空间。神经胚胎学和神经生理学的研究表明，早在出生前，基因和发育过程就决定了高度特异的神经连接，然后通过环境因素来维持和完善。正如早期神经解剖学家所描述的那样，皮层的细胞结构和髓鞘结构亚区被赋予了特定的功能意义，因为这些亚区大多包含感觉或运动周围的有序映射，以及生理特性非常独特的神经元群。传递特定感觉或运动信息的神经元系统与向丘脑和皮层弥散投射的脑深部系统之间出现了一个重要区别，后者可以调节整个神经系统在睡眠-觉醒周期以及注意力和动机控制中的活动。随后，对不同突触递质的鉴定为这些弥散投射系统的存在提供了证据，每个系统都有一种特定的递质，并对其皮层和皮层下靶点起作用。
更好的动物控制损伤实验和对神经系统患者的更准确和系统的分析清楚地表明，局灶性脑损伤可以根据其位置得到脑损伤和保留的心理能力的独特组合，从而可以对正常心理过程的脑定位和脑组织进行合理推断。在这种新的定位方法的基础之上，可以使用高阶功能的损失和保留模式来推断导致大脑损伤的部位，又可以使用关于正常心理功能的理论来预测特定脑损伤的心理结果。解释脑损伤的心理效应的逻辑从简单分离（损伤X导致任务A的表现受损，但对任务 B 没有影响）之间的区别中受益匪浅，但这有可能取决于任务难度而不是功能特异性，而更具揭示性的双重分离（病变X导致任务A的表现受损，而对任务B没有影响，而病变Y导致任务B的表现受损而对任务A没有影响），是增强功能定位推断可靠性的有效方法论武器。
从20世纪6、70年代开始，新兴的神经心理学学科的发展在很大程度上得益于技术的进步。
在过去，神经心理学家必须等待尸检或依靠子弹或其他物体在颅骨中的进出位置，才能获得脑损伤部位的直接解剖学证据。而在闭合性头部脑损伤的情况下，通常是神经心理学家根据特定的心理缺陷模式推断损伤部位。
20世纪70年代X射线计算机断层扫描（CT）的发明使人们能够以非侵入性的方式观察活体大脑的损伤结构，从而有可能获得关于心理缺陷和大脑病理学的独立证据，并跟踪其随时间的演变。
在接下来的几十年里，正电子发射断层扫描（PET），尤其是功能性磁共振成像（fMRI），在正常运作的人脑无创成像方面取得了进一步的惊人进展，这两种技术都监测与新陈代谢以及神经元和神经胶质的化学和电活动相关的局部血流变化。这些技术表明，不同的认知行为会有与之相关的一组皮质区域被激活，而这些区域散布在其他没有被激活的皮质区域中。因此，在执行相同的认知任务时，就可以将局部皮质损伤导致的特定认知任务中的缺陷与正常大脑中的相同皮质区域的激活相匹配。现在可以通过经颅磁模拟（TMS）获得上述证据的补充信息，该技术可以让正常观察者在认知任务执行期间的特定皮质区域暂时功能失活。
此外，经典脑电图和诱发电位技术的完善以及脑磁图技术的引入让获得行为和精神状态的整体或局部大脑相关性成为可能，其时间分辨率远远优于X射线、PET或fMRI。被称为DTI（弥散张量成像）的束成像技术允许测量白质内特定束的位置和方向，并评估大脑区域之间的功能连接程度和神经心理缺陷背后是否存在病理性断开。
数字计算机极大促进了行为和大脑数据的收集和分析，计算机科学和人工智能在实践和理论上都促进了神经心理学的进步。其中，一种被称为联结主义的运动试图用人工神经网络来解释人类认知，人工神经网络由大量的单元组成，这些单元通过不同强度的联结相联。这些单元是神经元的类似物，可变联结模拟突触连接。尽管人工神经网络已被证明能够学习典型的神经心理学任务（如阅读或面部识别），且刺激导致单元之间联结强度的变化，但人工智能联结主义与神经心理学的解剖生理连接主义之间的相似性尚不明确。基因和发育的力量倾向于在大脑神经元之间形成一种产前的、极具选择性的连接模式，而人工神经网络由于其最初的随机联结，无法以真实的方式进行模拟。
最后，通过在实验动物（特别是行为自由的猴子）中记录单个神经元的技术，已经获得了关于这些动物高级神经功能物质基质组织的大量信息。在许多情况下，这些信息为探索人类认知的相应基质提供了决定性的指导，事实上，通过在神经外科手术期间对清醒患者进行记录，单个神经元可以专门处理特定类别的认知信息的实验论证已经扩展到了人脑。
正如其最初的计划所暗示的那样，当在两个方面以一种趋同的方式取得进展时，神经心理学取得了很大的成功——一方面是大脑，另一方面是心智或更流行的术语为认知。自20世纪60年代初开始，神经心理学在对大脑组织的理解方面经历了深刻的变化，特别是关于长皮质连接在感觉、运动和高阶信息传递中的作用。为了支持解剖功能性连接主义概念的有效性，Geschwind等人重新确认了失语症断开综合征取决于左半球皮质内长关联连接的损伤，Sperry和同事的裂脑研究推翻了Lashley的重要观点，即长皮质连接只是“骨骼结构”，没有任何可证明的心理或行为功能。这些连接中最发达的胼胝体并不仅仅是两个半球之间的机械连接，也是两半球之间在心理状态和行为控制下交换信息的重要途径。此外，两个半球的独立认知能力被证明有很大差异，总体上与对左右半球损伤引起的缺陷的分析得出的许多新证据一致。对大致相当数量的左右脑损伤患者的研究测试结果否定了经典的左脑优势概念，而支持两个半球功能互补的概念。左半球在所有语言功能方面的独特能力不仅在右利手中得到证实，而且在大多数左利手中也得到证实，而右半球又被发现在无法通过语言中介帮助的各种认知任务中占主导地位，如空间探索和认知、对陌生和熟悉面孔的辨识，以及对颜色和复杂视觉形状的感知和记忆。右半球的病变在单侧偏脑综合征以及情绪和情感障碍如失认症（例如，否认疾病）和情感淡漠中具有特殊作用。
脑损伤患者大脑半球功能不对称性的发现激发了对正常观察者的大量研究，这些研究将不同的感觉输入导入单侧大脑半球，同时以简单或选择反应时间测量其反应，以评估大脑半球之间认知信息传递的各个方面。久负盛名的心理计时方法也被应用于认知过程的注意力调节分析，其能够在自动和自愿定向机制之间，以及在空间位置和物体之间的注意力分配上进行重要区分。Brenda Milner和Suzanne Corkin对著名患者H.M.的研究彻底改变了记忆领域，该患者曾接受双侧颞叶内侧切除术以控制癫痫，结果导致了极为严重的顺行性遗忘，但短期记忆正常，术前事实和事件的长期记忆一般良好。该患者能够以正常速度学习，并保留他完全不知道的技能，为记忆被分割成若干部分提供了确凿证据，此前，这种情况主要是基于理论基础假设的，从未出现过令人如此信服的证据。这一突破性的发现开启了许多非常成功的研究路线，导致短期和长期记忆被分成多个部分。长期记忆被细分为陈述性和非陈述性类别，再接着往下细分为不同的子类别，这对于神经心理学来说已经取得了巨大成果，因为现在有令人信服的证据表明，在认知水平上可区分的记忆形式也与皮质和皮质以下的不同神经基质相关。研究发现具有显著选择性的失认障碍，会影响物体或生物或其部分对于某些类别的信息处理，而不是其他类别的信息，这强烈表明不同的知识类别位于大脑皮层的不同区域，这一发现得到了来自正常观察者的fMRI 和 TMS 研究数据以及神经外科患者的单神经元记录的有力支持。最后，有意识和无意识视觉的分离为意识的神经学提供了可能的研究方法，如在脑损伤患者和正常观察者的盲视及其他情况下发生的分离，并提出了有意识视觉感知的枕颞脑系统和不一定伴随意识的视觉引导动作的枕顶脑系统的区别。
神经心理学在20世纪最后几十年和21世纪的蓬勃发展可以通过该领域各个方面的专业出版物数量的强劲增长来证明。目前，有一些国际科学期刊专门研究神经心理学，无论其标题是否包括“神经心理学”或相关术语。在大多数情况下，这些期刊以及神经心理学教科书和其他相关出版物的标题中，会有与名词“神经心理学”一起出现的形容词来表示明显的学科子领域和专业，如：实验、临床、人类、动物、比较、发展、应用、康复等。与这些不言而喻的限定不同，形容词“认知”值得特别关注，因为在过去的三十年中，“认知神经心理学”一词已经成为神经心理学的一个新概念和该领域更受限制的研究议程。1984年，《认知神经心理学》第一期的一篇社论（未署名，但归属于总编辑Max Coltheart）明确阐述了这一点，22年后，Coltheart 和 Alfonso Caramazza在同一期刊的社论中重申了这一观点。自其诞生以来，神经心理学无可争议地一直是认知的，因为它充分关注认知和大脑，强调“和”，而“认知”一词广泛适用于心理状态和行动控制的所有方面。但在新提出的设想中，有人认为，认知神经心理学作为认知心理学的一个分支，应主要着眼于理解人类心智如何工作，同时将大脑如何工作视为次要问题（如果不是无关紧要的话）。认知过程被视为在一台特殊计算机（人脑）上实例化的计算程序，其物理结构属于与心智不同的现实层次，并不一定提供对心智计算程序的洞察力。新构想的认知神经心理学的任务是测试有关脑损伤患者的理论，该理论假设认知任务通常由一组离散的、可分离和相对自主的信息处理组件（有时称为模块，不要与神经生理学已知的皮质神经元模块混淆）执行。在信息量特别大的单个病例中，局部脑损伤的认知影响表明，认知系统中若单个处理组件被选择性地移除，系统的其余部分仍基本上或完全保持功能。在这些数据中，重要的不是大脑损伤的位置或性质，而是证明多组分认知系统（先验地表示为箱形箭头图）已被选择性地移除了其中一个元素，即方框或箭头。虽然模块化假设和对单个病例的依赖在经典的解剖-临床方法中很常见，但认知神经心理学的显著特征是解释脑损伤认知影响的理论框架的优先级，以及坚信对人类认知的解释必须在与大脑完全无关的分析层面上进行。对大脑功能的理解既不是认知神经心理学的基础，也不是其目标，尽管对局灶性脑损伤后认知能力丧失进行测试的有关正常认知的心理学理论在某些情况下可能受到现有神经学知识的启发和约束。如今，存在着大量从事神经心理学工作的科学家，他们都自称为认知神经心理学专家，但他们对自己的研究主题及具体方法持完全不同的看法。一个极端是更接近原始的神经心理学传统，有人提出诸如“前额叶皮层的认知功能是什么？”“海马体在记忆中的作用是什么？”等，并在动物和人类中使用各种技术来获得正确的答案。另一个极端是，被称为“超认知”的激进认知神经心理学家则避免任何试图将检查中的认知缺陷模式与大脑组织的因果变化联系起来的尝试。对于后一种，对脑损伤认知缺陷的传统解剖临床研究，以及基于更现代化技术的所有其他脑认知关系研究，应被视为属于认知神经科学而不是认知神经心理学。目前，对于这种相当武断的区分，以及将“认知神经心理学”一词的使用限制在研究条件上（在这种情况下，前缀neuro仅因存在本身无关紧要的脑损伤而被证明是合理的），存在一些正当抵制。也许越来越流行的“认知神经科学”一词最终会占上风，并永远取代“神经心理学”一词。
“神经心理学”一词可能注定会从神经科学词汇中消失，但神经心理学的最初目标——理解心智、行为和大脑之间的关系——仍将是未来神经科学的最终目标。
对脑损伤引起的认知变化的研究也许将继续占据中心位置，但其进展将不可避免地取决于许多其他实验和理论方法，以及所有生物科学的综合贡献，从分子生物学到古人类学，心理学、认知和计算机科学以及哲学。从对主要精神病（如双相情感障碍、精神分裂症、临床抑郁症、强迫症）中出现的复杂认知和情绪紊乱的神经心理学尚不甚了解，发展到一个已经模糊的神经心理学界限最终消失的地步。还有很长的路要走，但努力是值得的。当知道人脑是如何提供我们物种所有成员认知、情感和行为的媒介，就等于解决了长期存在的心智-大脑问题，用William James的话来说，这一成就将使之前的所有成就都黯然失色。
