公元前4世纪，古希腊哲学家亚里士多德认为大脑是心脏的附属器官，它的功能就是冷却血液。到公元1世纪，希腊解剖学家鲁弗斯(Rufus)认为，除了基本结构的划分，大脑表面还分别包裹着柔软和坚硬的表层。后来，罗马名医伽林(Galen)观察到了大脑损伤对精神活动的影响，推翻了亚里士多德的理论，认为精神活动发生在大脑，而不是心脏。

在中世纪，科学家通过解剖大脑发现，大脑分为3个主要部分或“小室”,最终被称为脑室。每个脑室负责不同的精神活动。前脑室负责想象，后脑室负责记忆，中间的脑室负责推理。15世纪末，医生开始大量地解剖大脑，夏尔·艾蒂尔(Charles Estienne)还出版了一部解剖学巨著。书中写道：“当你切开一个洋葱时，你会看到层层包裹的洋葱‘外衣’。同样，切开一个人的大脑，你得先切开头皮、肌肉(帽状腱膜)和颅骨膜，接着是头盖骨(颅骨)、硬脑膜、软脑膜，最中间是大脑，然后又是软脑膜、硬脑膜，最后是头骨。”这可能是有关大脑解剖的最早记录。

文艺复兴时期，博物学家列奥纳多·达·芬奇(Leonardo da Vinci)通过向脑中注入蜡来研究大脑与嗅觉和视觉神经之间的关系，并构建起脑室的模型。他从多个角度绘制了大脑的解剖图，并理清了各脑室的功能。但是他更希望的，是确定精神究竟是在大脑的哪个区域产生。可是，这个时期的人们依然对大脑内环境众说不一，有人认为是温热的，有人认为是冰冷的，有人认为是湿润的。丹麦解剖学家尼古拉斯·斯坦诺(Nicolaus Steno)还发出感叹：“大脑——造物主的杰作，我们对它几乎一无所知。”

16世纪至17世纪初期，尽管解剖学家对大脑功能的了解还很有限，但已经开始使用一些大脑、小脑和延髓之类的术语。直到17世纪60年代，大脑的解剖学才明显有了进展。1664年，英国医生托马斯·威利斯(Thomas Willis)发表了《大脑解剖》。1669年，尼古拉斯·斯坦诺发表了有关大脑解剖的演讲，认为应该更为细致地研究大脑皮层和脑室。威利斯进一步指出，大脑并没有按照上帝的旨意形成一个个房间，也没有“用于安置灵魂的最高席位”。