Com a ciència, la fisiologia es desenvolupà a partir del segle XVII, bé que ja hi ha descripcions del funcionament dels organismes en texts mèdics egipcis, babilònics, àrabs i assiris. Els anatomistes Heròfil i Erasístrat, de l’escola d’Alexandria, poden ésser considerats predecessors de la fisiologia, però històricament la primera vegada que apareix aquest mot és com a títol de la primera part del tractat De naturali parte medicinae (1542), de Jean Fernel. Els estudis d’Andreas Vesalius assenyalaren el començament d’una anatomia moderna (De humani corporis fabrica, 1543) i contribuïren a afavorir les recerques fisiològiques. Miquel Servet descobrí la circulació menor de la sang, i Gabrielle Fallopio estudià el sistema nerviós i l’aparell reproductor.
Al segle XVII hi havia diferents tractats de fisiologia, com la Physiologia medica, de Theodor Zwinger, la Medicina physiologica, de J.A. Vander-Linden, i les Exercitationes physiologicae, de J. Bohn, que explicaven els coneixements sobre la dinàmica dels músculs, el funcionament dels sentits i els processos digestius i respiratoris. W. Harvey interpretà la circulació de la sang i el paper del cor i dels moviments cardíacs, escriví el tractat De motu cordis et sanguinis in animalibus (1628) i creà la fisiologia comparada.
Al segle XVIII hom feu grans progressos en les recerques fisiològiques amb l’ajut dels descobriments de la física i la química. S. Hales fou el primer a mesurar la circulació de la sang. A. von Haller bandejà les teories metafísiques en voga (vitalisme) i establí una visió científica moderna dels processos fisiològics del teixit muscular i nerviós, que recollí en el llibre Elementa physiologiae corporis humani (1756-66). Joseph Priestley descobrí que als pulmons tenia lloc un intercanvi gasós. A.L. Lavoisier prosseguí els experiments de Priestley i determinà que la respiració era una combustió que engendrava la calor animal. L. Spallanzani i R.A. Ferchault de Réaumur estudiaren la fisiologia de la digestió com a procés químic produït per l’acció de ferments.
Al segle XIX el perfeccionament dels instruments físics de mesura, els progressos de la bioquímica i la pèrdua d’influència del vitalisme, entre altres esdeveniments, feren avançar la fisiologia. F. Magendie escriví un Précis élémentaire de physiologie (1816) i, conjuntament amb Ch. Bell, feu valuosos estudis sobre el funcionament del sistema nerviós. C. Bernard, veritable creador del mètode científic experimental en fisiologia, establí el concepte de medi intern i la necessitat, en tota mena d’organismes, de conservar-lo tan constant com sigui possible. Aquest concepte fou resumit més tard per W.B. Cannon amb la formulació de l'homeòstasi. C. Bernard estudià la fisiologia de la digestió, descobrí la funció glicogènica del fetge (1848), aïllà el glicogen (1855) i feu recerques en el camp de la fisiologia nerviosa i de la fisiologia comparada. Ch.E. Brown-Séquard estudià les secrecions internes i llur funció, E. Du Bois Reymond feu grans avenços en l’electrofisiologia, E. von Brücke investigà la fisiologia digestiva i la sensorial i J.E. Purkinje aportà dades importants sobre el mecanisme de la visió, la respiració, el sistema muscular i el nerviós. I.P. Pavlov feu recerques en el camp de les complexes interrelacions d’un organisme amb el medi que l’envolta, cercant el paper que el sistema nerviós podia representar a través dels reflexos condicionats, descoberts per ell.
Al segle XX la fisiologia, ajudada per les altres ciències biològiques (bioquímica, genètica, etc.) i pels avenços dels mètodes i les tècniques de recerca (tècniques microscòpiques, radioactives, d’electroforesi, etc.), ha experimentat un gran desenvolupament en els seus diversos camps.
En l’actualitat, la fisiologia animal en sentit genèric ha desenvolupat els aspectes més relacionats amb el tractament de diverses malalties, coincidint en gran part en metodologia i objectius amb els de la fisiologia humana. Les línies principals de recerca en el moment actual de la fisiologia animal són fonamentalment la neurofisiologia i la psicofisiologia per un costat, molt lligades a la psicologia i a l’etologia. D’altra banda hom estudia la fisiologia comparada, que investiga els diversos mecanismes amb què els animals resolen llurs problemes funcionals i de disseny. En tercer lloc hi ha l’estudi dels fenòmens vitals a nivells més i més propers al nivell molecular, apropant-se així com més va més a la bioquímica. Hom pot trobar un exemple especialment adient d’aquesta tendència en l’endocrinologia, que estudia cada cop més els mecanismes d’acció a tots nivells dins la regulació de l’homeòstasi de l’organisme animal. En quart lloc hom troba tot el que es relaciona amb la fisiologia de la nutrició, de gran actualitat pel seu interès mèdic i econòmic ramader. A aquestes grans línies de recerca cal afegir els punts de contacte amb la biofísica, com poden ésser els estudis dels mecanismes de transport a través de membranes.
Els estudis de fisiologia a Catalunya
Les idees de Claude Bernard, que assenyalen l’inici de la fisiologia moderna, aviat foren adoptades —i amb apassionament— a Catalunya; Jaume Pi i Sunyer —bé que en el camp de la fisiopatologia— i Turró —en el de la bacteriologia— en foren els introductors. Amb August Pi i Sunyer i la seva escola, la fisiologia arribà al punt més alt; inicià les tasques docents i de recerca al Laboratori Municipal de Barcelona. Al voltant de la seva càtedra (1916) s’aplegaren Bellido, Leandre Cervera, Dalmau, Carrasco i Formiguera, Santiago Pi i Sunyer, Puche i Jaume i Cèsar Pi-Sunyer i Bayo, entre d’altres. L’equip de Pi i Sunyer l’any 1920 fou elevat a la categoria d’Institut de Fisiologia per la Mancomunitat, a causa de l’eficàcia i del prestigi assolits, els seus cursos eren seguits per estudiosos del país i de fora. L’institut es componia de les seccions de bioquímica, farmacodinàmica, histofisiologia, electrofisiologia, metabolimetria i fisicoquímica. L’any 1939 s’exiliaren la majoria dels seus membres, i en diferents llocs de treball i en diferents països efectuaren un reconegut treball de mèrit. Després, els estudis de fisiologia no han tingut cap ressò remarcable. És a Houston (Texas) que dos catalans de la generació següent han dut a terme una labor de transcendència: David Cardús, professor de fisiologia i de rehabilitació al Baylor College, i Joan Oró, bé que bioquímic, també ha estat professor a la Universitat Autònoma de Barcelona.