Na počátku Fyziologického ústavu stály významné vědecké osobnosti prof. Zdeňka Servíta a prof. Arnošta Gutmanna, kteří již v roce 1950 ustavili Fyziologické oddělení Ústředního biologického ústavu. Když v r. 1952 vznikla Československá akademie věd, utvořily laboratoře prof. Servíta a prof. Gutmanna spolu se skupinou prof. Jiřího Křečka, věnující se vývojové biologii, zvláštní sekci nového Biologického ústavu. Další významnou osobností působící na ústavu byl i neurofyziolog Dr. Jan Bureš.

Úspěšný rozvoj vědecké práce a ohlas doma i v zahraničí vedly 1. ledna 1954 k osamostatnění Fyziologického ústavu ČSAV. V roce 1956 vznikla Laboratoř pro fyziologii a patofyziologii přeměny látek ČSAV v čele s prof. Otakarem Poupou, která byla k 1. 1. 1961 začleněna do svazku Fyziologického ústavu jako tzv. 4. oddělení pod názvem Oddělení fyziologie a patofyziolgie přeměny látek. Až do 80. let 20. století ústav sestával ze 4 vědeckých oddělení:

• Oddělení fyziologie a patofyziologie vzrušivosti (1959), později Oddělení fyziologie a patofyziologie centrálního systému (1964)
• Oddělení fyziologie a patofyziologie pohybového ústrojí (1959), později Oddělení fyziologie a patofyziologie nervosvalového aparátu (1963)
• Oddělení fyziologie a patofyziologie individuálního vývoje (1959)
• Oddělení fyziologie a patofyziologie  adaptace (1963), později  Oddělení fyziologie a patofyziologie přeměny látek (1964)

V roce 1980 došlo k reorganizaci ústavu, kdy původní 4 oddělení nahradily sektory Neurověd a Vývojové fyziologie, k nimž záhy přibyl ještě sektor Molekulární a buněčné fyziologie. Po listopadu 1989 byly sektory opět rozpuštěny a vznikla jednotlivá menší oddělení podřízená přímo řediteli. V současnosti má ústav 24 vědeckých oddělení, jejichž práci podporuje 6 oddělení se servisním zaměřením.

Mezi významné osobnosti ústavu patří i prof. Helena Illnerová. Její život je úzce spjatý s Fyziologickým ústavem, kde v roce 1961 začínala svou vědeckou kariéru. Zavedla u nás studium chronobiologie a jako první na světě objevila závislost funkce biologických hodin v mozku savců na délce dne během ročních období. Později se podílela na transformaci Akademie věd ČR a byla její předsedkyní v letech 2001-2005.

K mnoha vědeckým úspěchům  dosaženým v historii ústavu, patří stanovení kritické vývojové periody a vlivu předčasného odstavu na vývoj mláďat a dětí, objasnění adaptace srdce na vysokohorské podmínky a genetického základu hypertenze i výzkum paměti nervových synapsí a receptorů pro neuropřenašeče. V tradici kvalitního výzkumu pokračuje ústav i v současnosti. V roce 2014 Fyziologický ústav oslavil 60 let od svého založení.
 

Ředitelé ústavu

	od 2015	MUDr. Jan KOPECKÝ, DrSc.
	2010–2015	RNDr. Lucie KUBÍNOVÁ, CSc.
	2003–2010	RNDr. Jaroslav KUNEŠ, DrSc.
	1995–2003	Prof. MUDr. Pavel MAREŠ, DrSc.
	1990–1995	Prof. MUDr. Bohuslav OŠŤÁDAL, DrSc.
	1980–1989	RNDr. Zdeněk DRAHOTA, DrSc.
	1970–1980	MUDr. Ladislav VYKLICKÝ, DrSc.
	1970	Prof. MUDr. Jiří KŘEČEK, DrSc.
	1954–1969	Prof. MUDr. Zdeněk SERVÍT, DrSc.