Comme dans la plupart des autres sciences, les premiers véritables progrès de la neurologie après les Grecs ont lieu à la Renaissance. Avec l'invention de l'imprimerie la publication de manuels d'anatomie permet la diffusion des connaissances. Un des premiers exemples est le Compendium Philosophiae Naturalis de Johann Peyligk publié à Leipzig en 1499. Ce travail contient onze gravures sur bois, représentant la dure-mère, la pie-mère et le système ventriculaire.
Une révolution a lieu à la fois en anatomie et en neurologie quand André Vésale publie son De humani corporis fabrica en 1543. Ce livre est illustré d'images détaillées montrant les ventricules, les nerfs crâniens, l'hypophyse, les méninges, les structures de l'œil, les vaisseaux du cerveau et de la moelle épinière, et les nerfs périphériques. Vésale démontre l'inexistence de structures que l'on croyait présentes dans le cerveau humain depuis les écrits de Galien, comme le rete mirabile. Les dissections de Galien ne concernaient en effet que des animaux et l'on sait que ce rete mirabile n'est bien développé que chez les ongulés. Par ailleurs Vésale, contrairement à beaucoup de ses contemporains, ne pensait pas que le système ventriculaire est le siège de fonctions cérébrales, faisant valoir que de nombreux animaux ont des ventricules cérébraux semblables à ceux de l'homme, sans posséder pour autant de véritable intelligence. Il semble qu'il ait rarement extrait le cerveau du crâne avant de la découper et la plupart de ses planches font apparaître le cerveau à l'intérieur d'une section de tête entière.
En 1664, Thomas Willis publie son Anatomie du cerveau (Anatomy of the Brain), puis en 1676 sa Pathologie cérébrale (Cerebral Pathology) qui pose les fondations de la neuropathologie. En retirant le cerveau de la boîte crânienne il parvient à décrire avec clarté le cercle des artères qui assurent la vascularisation de cet organe. C'est ainsi qu'il laissera son nom au cercle (ou polygone) de Willis. Cet auteur fut le premier à se servir du mot « neurologie ». Il émet quelques idées sur les localisations des fonctions cérébrales et sur les réflexes. Il décrit des cas d'épilepsie, d'apoplexie, de paralysie et de myasthénie.
Le pas suivant dans la compréhension des maladies neurologiques fut effectué grâce aux illustrations en couleurs des premiers anatomo-pathologistes, rendues possibles grâce aux progrès des techniques d'impression. Matthew Baillie (1761-1823) en 1799 et Jean Cruveilhier (1791-1874) en 1829 ont notamment publié des images de ramollissements cérébraux.
En 1878, William MacEwen (1848-1924) réussit la première ablation d'un méningiome chez un patient qui survit plusieurs années à l'intervention. l'Anglais Victor Horsley (1857-1916) renouvelle l'opération cinq ans plus tard. Peu après le chirurgien américain Harvey Cushing (1869-1939) réalise l'exérèse d'un adénome hypophysaire chez un patient atteint d'acromégalie : le traitement neurochirurgical des hyperfonctions de l'hypophyse a été l'une des étapes majeures de la neurochirurgie. Egas Moniz (1874-1955) au Portugal réalise la première artériographie cérébrale et met au point la lobotomie frontale dans le traitement de certains cas psychiatriques graves.
Les médecins n'ont pu utiliser en pratique ces connaissances nouvelles qu'en concevant des outils et procédures appropriés aux investigations cliniques. Au cours du XIXe siècle apparaissent marteaux à réflexes, ophtalmoscope, et diapason. Les neurologues cliniciens mettent en corrélation leurs constatations avec celles faites après la mort des patients par les neuropathologistes, selon la méthode anatomo-clinique prônée notamment par Charcot
À la fin du XIXe siècle, la relation est établie entre accident cérébrovasculaire et hémiplégie, entre traumatisme médullaire et paraplégie, entre le spirochète de la syphilis et la paralysie générale de personnes qui remplissent les hôpitaux psychiatriques.