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:
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 22 vědeckých oddělení, jejichž práci podporuje 10 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.
