Parteix de la idea del cervell com a òrgan que controla totes les operacions del cos humà, des de les funcions més bàsiques (metabolisme, sistema immunitari, hormonal, etc.) fins a les funcions superiors (emocions, pensament, memòria, llenguatge, aprenentatge, presa de decisions etc.). La tasca principal de la neurociència consisteix a identificar els circuits neuronals pels quals s’activen i es mantenen aquestes funcions, i la seva interacció amb la resta d’òrgans. També formen part d’aquest estudi els mecanismes pels quals es creen nous circuits, les seves alteracions i la manera en què afecten el comportament (sigui o no patològic).
Partint d’una base anatòmica i fisiològica (neurologia), descriptiva (psicologia) i mèdica (psiquiatria), la neurociència ha anat incorporant altres disciplines que han contribuït a integrar els múltiples vessants del cervell i les seves interrelacions. Han representat avenços decisius la farmacologia, la bioquímica i la biologia molecular, i entre les anomenades ciències humanes, la lingüística ha tingut una clara preeminència. Posteriorment, la irrupció de la informàtica ha contribuït a la neurociència en dos vessants: d’una banda, el desenvolupament de tècniques d’imatgeria, com ara la ressonància magnètica nuclear o la tomografia per emissió de positrons (PET, sigla de la denominació anglesa positron emission tomography), el qual ha permès visualitzar amb precisió l’activitat cerebral. De l’altra, els avenços en intel·ligència artificial (IT), per mitjà dels quals s'ha pogut establir un model que convergeix en molts aspectes amb el funcionament d’un cervell humà.
Des del punt de vista sanitari, la neurociència té una incidència social i econòmica evident, atesa la gran proporció de trastorns i malalties mentals que afecten el conjunt de la població, amb una gran diversitat de manifestacions (psicosis congènites, deteriorament neuronal associat a l’envelliment, addiccions, etc.). La neurociència també té un pes creixent en els terrenys educatiu i laboral, per tal com contribueix a establir pautes en els àmbits cognitiu, executiu i relacional.
El terme neurociència aparegué per primer cop el 1962 quan Francis Otto Schmitt designà el seu pla de recerca Neuroscience Research Program, dut a terme al MIT. Tanmateix, des de molt abans es poden identificar aportacions decisives en aquest camp. La primera descripció anatòmica del cervell fou duta a terme per l’anglès Thomas Willis en Cerebri Anatome (1664). El 1791, Luigi Galvani identificà l’excitació elèctrica en la musculatura i els nervis, coneixements posteriorment ampliats amb els experiments de Carlo Matteucci i Emil Du Bois-Reymond al segle XIX. Franz Joseph Gall i, posteriorment, Paul Broca introduïren els conceptes de localització de les funcions cerebrals. El 1924 Hans Berger dugué a terme el primer enregistrament de l’activitat cerebral. També al principi del segle XX Alan Lloyd Hodgkin i Andrew Fielding Huxley identificaren els impulsos nerviosos generats pel potencial d’acció sodi-potassi, i Otto Loewi descobrí els neurotransmissors, essencials en el recorregut dels impulsos nerviosos. Camillo Golgi i Santiago Ramon y Cajal, per la seva banda, dugueren a terme descobriments determinants sobre la neurona com a unitat anatòmica i funcional del sistema nerviós, i Charles Sherrington explicà detalladament el funcionament de la sinapsi i formulà el concepte d’estats d’excitació i inhibició. Des de la medicina, la identificació dels trastorns i malalties del sistema nerviós han estat també crucials en el desenvolupament de la neurociència. Hom pot esmentar James Parkinson (1817), Jean-Martin Charcot, que identificà l’esclerosi múltiple i l’esclerosi lateral amiotròfica vers el 1880, Eugen Bleuler, a qui hom deu les primeres descripcions de l’esquizofrènia (1911), Alois Alzheimer (1909) o Alfons Maria Jakob (malaltia de Creutzfeldt-Jacob, 1920). Lev Sem'onovič Vygotskij (1896) i
Aleksandr Romanovič Lurija
(1902) feren també contribucions importants, a partir de trastorns causats per lesions, sobre el llenguatge associat a les funcions cerebrals. Entre les aportacions més recents, cal esmentar les de Gerald Edelman (1929), formulador d’un model teòric de desenvolupament cerebral i sobre l’origen de la consciència anomenat darwinisme neural, i Antonio Damasio (1944), que ha investigat les bases neuronals de la presa de decisions, les emocions, el llenguatge i la memòria, i també en la millora del coneixement de diverses malalties neurològiques, com la malaltia de Parkinson o l’Alzheimer.