Кафедра фізіології Харківського медичного інституту (нині університету)  розпочала свою діяльність з 1805 року, коли на медичному факультеті Харківського університету була створена об’єднана кафедра анатомії, фізіології і судово-лікарської науки.

Першим завідувачем об’єднаної кафедри став фізіолог і анатом доктор медицини Фрейбургського університету Людвіг Йосипович Ванноті (1771–1819), що по зазначених предметах вів курси з 1805 по 1811 роки. У 1811 році кафедру очолив  талановитий вітчизняний вчений – професор lван Дмитрович Книгін (1773–1830), він читав курс фізіології до 1829 року.

З 1829 до 1835 року кафедрою керував Олександр Сергійович Венедиктов – учень І. Д. Книгiна. З 1835 по 1836 роки завiдувачем кафедри був лектор з анатомії lван Федорович Леонов  (1809–1854).

У 1836 році з об’єднаної кафедри на медичному факультеті була виділена самостійна кафедра фізіології, яку очолив видатний фізіолог, вихованець Харківського університету, учень професора І. Д. Книгiна  Іван Осипович Калениченко (1805–1876), що був різнобічним ученим, який володів величезною науковою ерудицією. Він читав курс фізіології з загальною патологією з 1836 до 1863 року, після чого пішов у відставку. Діяльність Івана Осиповича на медичному факультеті була ознаменована активним розвитком фізіології в Харківському університеті.

Організація самостійної кафедри фізіології відбувалася в період інтенсивного розвитку в країні експериментальної фізіології.

У 1863 році керівником кафедри фізіології став учень І. О. Калениченка – Іван Петрович Щелков (1833–1905). Перші кроки професора І. П. Щелкова співпали зі  введенням нового Університетського Статуту 1863 року, за яким фізіологія і загальна патологія були визнані самостійними дисциплінами: для кожної з них була заснована окрема кафедра і затверджений окремий професор. Поява Статуту 1863 р., затвердженого Государем Імператором Олександром II 18 червня 1863 року, призвела до відокремлення   фізіології від загальної патології і визнання фізіології одним з основних предметів медичного курсу. Одночасно було започатковано організацію фізіологічного кабінету, реорганізованого згодом у фізіологічну лабораторію.

З 1863 року фізіологічна лабораторія наочно збагачується різним устаткуванням. Лекції з фізіології супроводжуються лекційними демонстраціями і експериментами на тваринах, що викликає у студентів прагнення до знань, інтерес до науки. Будучи високоосвіченим і вдумливим лектором, І. П. Щелков уперше широко застосував у курсі фізіології систематичні лабораторні заняття. Обдарований видатними розумовими здібностями, озброєний сучасними науковими знаннями, він поставив викладання фізіології на нову висоту, вніс свіжий струмінь європейської науки. Наукова спадщина І. П. Щелкова і його школи з’явилося могутнім стимулюючим фактором для наступного розвитку перспективних напрямків у галузі фізіології і біохімії.

Спадкоємцем І. П. Щелкова став його видатний учень, професор Василь Якович Данилевський (1852–1939) – вихованець Казанського і Харківського університетів, широко освічений, талановитий фізіолог, різнобічна діяльність якого відома не тільки у нашій  країні, але і за її межами.

В. Я. Данилевський розвивав і удосконалював викладання фізіології, основи якого були закладені І. П. Щелковим. За його керівництвом студенти із захопленням займалися фізіологією. Його блискучі лекції завжди слухали в переповненій аудиторії. Лекційний курс значно розширився – до 5–6 годин на тиждень. Свої лекції В. Я. Данилевський виклав у тритомному посібнику з фізіології, що вийшов у 1913–1915 роках. Того часу перед кафедрою відкрилися нові, небачені раніше можливості розвитку викладання фізіології.

Розширюється також творча наукова діяльність. Основною тематикою наукових праць цього періоду стали дослідження газової сполуки крові і роботи, присвячені фізіології і біохімії м’язів. В. Я. Данилевським вперше в Росії були проведені дослідження електричної активності кори великого мозку на курарезованих собаках у 1876 р., що надалі зробили внесок у нову галузь науки – електроенцефалографію.

Робота В. Я. Данилевського на кафедрі фізіології тривала до 1908 року, після чого він був змушений піти з кафедри. Енергійний, прогресивно спрямований, зв’язаний із громадським життям Харкова, В. Я. Данилевський не міг мирно ужитися з затхлою атмосферою медичного факультету. Реакційна більшість професорів факультету домоглася звільнення з університету такого видатного вченого, яким був В. Я. Данилевський.

На зміну В. Я. Данилевському завідувачем кафедри фізіології був призначений доцент кафедри фізіології О. М. Черевков, що керував кафедрою до 1917 року. У цей період майже припинилася наукова діяльність на кафедрі, викладання велося формально.

У 1917 році О. М. Черевков і ще деякі реакційні професори були звільнені, а В. Я. Данилевський з новою енергією взявся за відновлення кафедри. У 1920 р. з двох кафедр фізіології –  медичного факультету університету і Жіночого медичного інституту була створена єдина кафедра фізіології, якою В. Я. Данилевський керував з 1917 до 1926 року.

Основними напрямками діяльності кафедри фізіології під керівництвом В. Я. Данилевського були поглиблене вивчення впливу вищих відділів ЦНС на різні вегетативні функції організму; вивчення електрофiзiологiчних процесів головного мозку, які започаткували новий метод фізіологічних і клінічних досліджень –  електроенцефалографiю, дослідження з фізіології м’язів і фізіології праці.

У 1926 році на кафедру фізіології був обраний один з відомих учнів І. П. Павлова –  Георгій Володимирович Фольборт (1882–1960), який поширив в Україні фізіологічне вчення. Академік Г. В. Фольборт завідував кафедрою фізіології Харківського медичного інституту з 1926 до 1946 року, потім керував кафедрою фізіології Київського медичного інституту і відділом фізіології Інституту біохімії АН УРСР.

З приходом на кафедру академіка Г. В. Фольборта розширилося наукове викладання фізіології. При ньому стали широко застосовуватися великі лекційні демонстрації і дослідження на хронічно оперованих тваринах, завдяки чому різко збільшилася наочність викладання. Усе багатство павловських методів дослідження стало доступним для студентів.

Значно розширилася наукова діяльність кафедри. Широкі можливості для наукової діяльності, надані співробітникам кафедри, обумовили успішний розвиток на кафедрі фізіологічного вчення І. П. Павлова.

Дослідження кафедри в цей період були присвячені вивченню процесів виснаження і відновлення, тісно пов’язаних із проблемою стомлення і відпочинку; вивченню закономірностей секреторних процесів, фізіології процесів травлення. Вивчалася вища нервова діяльність. У галузі травлення Г. В. Фольбортом проведене фундаментальне дослідження фізіології шлункових залоз. За допомогою запропонованої ним оригінальної методики – подвійної комбінованої жовчної фістули встановлені основні закономірності вироблення і виходу жовчі в 12-палу кишку. Роботи Г. В. Фольборта і його співробітників у галузі вивчення функцій пілоричної частини шлунка мають важливе значення для розуміння механізмів регуляції шлункової секреції.

Великим внеском у науку було відкриття Г. В. Фольбортом закономірності взаємозв’язку процесів стомлення і відновлення. Він довів, що основні закономірності, які  лежать в основі процесів виснаження і відновлення, стосуються характеристики процесів, що протікають у корі великих півкуль. Дослідження фізіологічних закономірностей відбудовних процесів мали велике значення для фізіології праці і спорту. За роботи в галузі  фізіології стосовно процесів стомлення і відновлення АН СРСР присудила Г. В. Фольборту премію ім. І. П. Павлова.

З 1946  по 1966 роки кафедрою фізіології завідувала член-кореспондент АН УРСР, заслужений діяч науки, доктор біологічних наук, професор Єлизавета Костянтинівна Приходькова  (1892–1975).  Під керівництвом Є. К. Приходькової колектив кафедри сконцентрував свою дослідницьку діяльність на розробці проблем неврозів, регуляції судинного тонусу і артеріального тиску, тісно зв’язаних з актуальною задачею практичної охорони здоров’я – боротьбою з гіпертонічною хворобою та атеросклерозом.

Були проведені дослідження функціональних порушень, що супроводжують гіпертонію центрального походження, обумовлену зривом вищої нервової діяльності, дана характеристика порушень діяльності травного тракту, функції нирок внаслідок неврозів. Дослідження дали можливість охарактеризувати механізми кортико-вiсцеральних порушень у генезi гіпертонії.

На кафедрі в цей час інтенсивно розвиваються і впроваджуються як у наукових дослідженнях, так і в навчальному процесі павловськi методи фізіологічного дослідження, зокрема методи фізіологічного дослідження вищої нервової діяльності, розробляються експериментальні моделі гіпертонічної хвороби: «Зрив вищої нервової діяльності», «Ниркова форма гіпертонічної хвороби» та ін.

З березня 1966 року по серпень 1967 року кафедрою фізіології керує учениця Є. К. Приходьковоϊ, доктор медичних наук, професор Лариса Дмитрівна Халєєва (1929 р. н.). Під час навчання в аспірантурі при кафедрі вона виконала кандидатську дисертацію “Про вплив експериментального неврозу на евакуаторну функцію шлунка нормальних собак і собак з вилученими прищитовидними залозами”, яку успішно захистила в 1955 році. Після захисту кандидатської дисертації, розвиваючи науковий напрямок кафедри, Л. Д. Халєєва  приступає до вивчення “Функцій нирок у собак з експериментальним неврозом, що супроводжується високим артеріальним тиском”. Ці матеріали стали основою її докторської дисертації, що була захищена в 1964 році.

Протягом 30 років (з 1967 по 1997 роки) кафедрою фізіології Харківського Державного медичного університету завідував вихованець Ленінградської фізіологічної школи, учень академіка АМН СРСР Д. О. Бірюкова та академіка АМН СРСР  П. К. Анохіна, професор Федір Петрович Ведяєв (1928–2000) – доктор медичних наук, професор, лауреат премії ім. П. К. Анохіна.

Науковцями кафедри фізіології під керівництвом Ф. П. Ведяєва вивчались нейродинамічні та вегетативні кореляти нейрогенного стресу. Для цього були створені експериментальні моделі нейрогенних стресів різного походження, таких, як «конфлікт аферентних збуджень», «стрес очікування», «стрес передстартових станів». Під керiвництвом Ф. П. Ведяєва кафедра фізіології проводила дослідження в двох напрямках:

I – фізіологія кірково-підкіркових відносин;

II – фізіологія лiмбiчноϊ системи мозку та емоційних стресів.

У кожному з цих напрямків отримані дані, що мають як фундаментальне, так і практичне значення для розвитку сучасної нейрофізіології. У наукових дослідженнях кафедри в цей період детально вивчались нейрофiзiологiчнi лiмбiко-неокортикальнi механізми формування стресових станів, розглядались їх електрографiчнi кореляти і прояви на рівні серцево-судинної, гiпоталамо-гiпофiзарно-наднирникової та інших систем, поєднані поняттям емоційно-стресового синдрому.

Протягом 27 років Ф. П. Ведяєв цілеспрямовано і продуктивно досліджував фундаментальні нейрофiзiологiчнi механізми діяльності лiмбiко-ретикулярноϊ системи, механізми судомних і емоційно-стресових станів. За цикл робіт з вивчення емоційних стресів Ф. П. Ведяєву в 1986 році була присуджена премія АМН СРСР ім. П. К. Анохіна.

Тільки під керівництвом д. мед. н., професора Ф. П. Ведяєва було захищено 25 дисертацій на здобуття ступеня кандидата медичних та біологічних наук, 3 дисертації на здобуття ступеня доктора медичних та біологічних наук, видано 3 монографії з наукової проблеми кафедри фізіології

З 1997 по 2014 роки кафедру фізіології очолював учень професора Ф. П. Ведяєва,  д. мед. н., професор Валерій Гаврилович Самохвалов, який продовжив й розвинув науковий напрямок свого вчителя. В. Г. Самохвалов (22.01.1950) – доктор медичних наук (1994), професор, член Міжнародної організації з вивчення мозку (IBRO), академік Нью-Йоркської академії наук, член спеціалізованої ради ХДМУ, голова Харківського регіонального відділення Українського фізіологічного товариства, автор понад 150 наукових праць, з яких 20 опубліковано в закордонних виданнях. Дослідження професора В. Г. Самохвалова були присвячені вивченню механізмів стійкості до емоційного стресу за умов дії шкідливих факторів навколишнього середовища.

З лютого 2015 року в.о. завідувача кафедри є доцент кафедри фізіології Лариса Володимирівна Чернобай.

З 2015 р. наукове дослідження колективу кафедри спрямовано на визначення особливостей інтегративних та вегетативних функцій у процесі адаптації до інтелектуальних, емоційних та фізичних навантажень у студентів медичного університету в динаміці перших трьох років навчання, а також стану автономної регуляції в умовах дії соціальних, темпоральних та природних факторів (науковий керівник дослідження – доктор медичних наук, професор Дмитро Ігоревич Маракушин).