O Programa de Neurobiologia foi criado como departamento em 1947 pelos professores Eduardo Oswaldo Cruz e Carlos Eduardo Rocha Miranda. Composto por 6 laboratórios, aborda as Neurociências do nível molecular até o sistêmico. Seus docentes atuam em pesquisa, ensino de graduação e pós-graduação e extensão. É referência em pesquisa científica em neurofisiologia sensório-motora, cognição, emoção, desenvolvimento, neurodegeneração, regeneração e plasticidade, aplicando o estado da arte em Neurociências em modelos in vitro e no estudo em invertebrados, roedores, primatas não humanos e humanos.

Seus pesquisadores desenvolvem pesquisa multidisciplinar com extensa rede de colaboradores nacionais e internacionais, abrangendo expertises em várias áreas do conhecimento. Suas diversas linhas de pesquisa abrangem temas de biologia celular e molecular integrados a estudos do desenvolvimento, degeneração e regeneração e biologia tumoral do Sistema Nervoso; comportamento animal e humano, assim como abordagens funcionais de fenômenos cognitivos, percepção, controle da ação e processamento emocional em condições normais e patológicas. São empregados métodos avançados de estudo do Sistema Nervoso como análise e modulação de expressão gênica, genômica, neuroquímica, microscopias, eletrofisiologia, estimulação magnética transcraniana, neuroimagem e inteligência artificial. A meta do programa é produzir conhecimento e contribuir para o desenvolvimento de novas tecnologias de manejo de doenças do Sistema Nervoso.