Le développement de l'étude anatomique, pendant longtemps n'a pas été parallèle au développement médico-chirurgical. Cette nécessité actuellement évidente, pour le médecin, le chirurgien ou l'imageur, ne s'est véritablement établie qu'au XIXe siècle.
La connaissance élémentaire de l'anatomie animale pour une dissection utilitaire (découpe du gibier, prélèvement des peaux, de certains os, des tendons, des intestins) est ancienne.
Au cours du paléolithique supérieur (-30 000 ans) apparaissent les premières représentations graphiques, surtout animales et parfois humaines (Venus de Lespugue). C'est un début d'analyse des formes. Il s'établit une ébauche de relation entre l'anatomie et la pathologie. L'archéologie a ainsi mis en évidence la pratique de la trépanation pour les traumatismes ou dans le cadre de rituels, ce qui impose une connaissance anatomique même sommaire du crâne et de son contenu.
Certains auteurs considèrent qu'à cette époque se développent des théories sur le pouvoir et la vertu de certains viscères, et des comportements anthropophages (cœur, foie, cerveau).
Galien (130 apr. J.-C.) est plus médecin que chirurgien, il pratique des dissections sur le singe, peut-être sur des gladiateurs ; il décrit : les fonctions des muscles et des articulations, les viscères thoraciques, le tronc cérébral… Mais les dissections humaines seront interdites sous Marc Aurèle, et pendant 10 siècles l'œuvre de Galien sera copiée, sans vérification et sans progrès.
En Mésopotamie vers 3500 av. J.-C., le savoir anatomique est au service de l'art divinatoire. L'analyse des viscères d'animaux sacrifiés a des valeurs prédictives très diverses (météo, récoltes, issue d'une bataille…). Le cœur est le siège de l'intelligence, le sang représente la vie, la forme des lobes hépatiques prédit le destin. Le médecin est aussi prêtre et devin.
La connaissance anatomique est essentielle à la technique d'embaumement, autant qu'à la pratique médico-chirurgicale. Certains papyrus (comme le papyrus Edwin Smith ou le papyrus Ebers, écrits aux alentours du -XVIe siècle) contiennent les descriptions anatomiques médicales les plus anciennes attestées à ce jour.
L'extraction du cerveau par les fosses nasales nécessite la connaissance de la lame criblée de l'ethmoïde, les viscères conservés dans les vases canopes sont identifiés. Des notions de formes et topographies viscérales sont rapportées dans des papyrus, avec des erreurs importantes ; par exemple, le cœur est identifié comme le centre des vaisseaux, mais toutes les structures canalaires sont des vaisseaux (artères, veines, voies urinaires, tube digestif…). L'importance donnée à la préservation des cadavres interdit la pratique de dissections « scientifiques ».
La dissection des défunts est interdite, les observations sont faites sur des animaux.
Les Grecs du IVe siècle av. J.-C. (Platon) développent la réflexion, le discours, le raisonnement, mais ne sont pas des scientifiques (exemple de raisonnement : la forme parfaite est la sphère, la tête humaine a globalement une forme de sphère…, c'est ainsi que s'élabore la théorie du microcosme.)
Pour Hippocrate, la santé et la maladie sont matière à penser, à interpréter et raisonner, mais il reste plus dans le domaine de la philosophie que de la science. Hippocrate, contemporain de Platon est un mauvais anatomiste, certes le cœur est le siège de la circulation, mais la physiologie est fausse : « le cerveau est le siège de l'intelligence parce que la tête est sphèrique ».
Il se crée le Musée (=centre de recherche) et la bibliothèque. Hérophile (340 av. J.-C.) décrit de nombreuses structures : le cerveau, les méninges, les sinus veineux de la base du crâne, les nerfs crâniens… Érasistrate (320 av. J.-C.) pratique environ 600 dissection, il décrit les valvules du cœur, il distingue les nerfs moteurs des nerfs sensitifs et suppose que l'intelligence est proportionnelle au nombre de circonvolutions cérébrales… Mais l'incendie de la bibliothèque (en 47 av. J.-C.) et la conquête romaine de l'Égypte entraînent un déclin des recherches anatomiques.