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Même si la situation reste à déplorer, les victimes de la Première Guerre mondiale offrirent une opportunité de recherche sans égal aux neurologues. Par l’observation des troubles physiques et psychiques résultant des traumatismes de la guerre, ils purent établir des correspondances entre les différentes sous-parties de notre système nerveux central et des facultés précises. En 1917, Julius Wagner Ritter von Jauregg décrivit la première solution thérapeutique psychiatrique causale lorsqu’il découvrit le traitement de la paralysie générale de la neurosyphilis par l’impaludation. 

En 1920, Otto Loewi réalisa la première expérience qui mettait en évidence la nature chimique de la conduction nerveuse. L’année 1922 marqua le début du traitement des patients schizophrènes par les cures de sommeil. On administrait aux patients de fortes doses de Somnifen (un barbiturique) afin de les endormir pendant des journées entières lors de cures de deux à trois semaines.

En 1929, Hans Berger fit la première démonstration d’électroencéphalographie humaine (EEG), technique de mesure et d’enregistrement de l’activité électrique du cerveau. L’invention de Berger est encore utilisée couramment en neurologie et en psychiatrie pour réaliser des examens à but diagnostique et aussi dans la recherche sur le cerveau. En 1933, Manfred Sakel rendit compte des premiers résultats de ses expériences menées à Berlin, Allemagne, pour déterminer l’efficacité du traitement de patients schizophrènes par la technique du coma insulinique. Les traitements somatiques des maladies mentales tels que l’électroconvulsivothérapie et la psychochirurgie étaient en train d’être développés. Ces traitements découlaient d’une conception organiciste des troubles mentaux qui supposait que les maladies mentales résultaient d'un déséquilibre corporel biologique et étaient comparables aux maladies physiques.

Durant les années 30, Wilder Penfield, assisté de son confrère Herbert Jasper, inventa la méthode de Montréal par laquelle il traitait les patients souffrant d’épilepsie sévère en détruisant les cellules nerveuses de la zone du cerveau jouant un rôle dans la survenue des crises. Avant d’intervenir chirurgicalement, il stimulait le cerveau des patients sur la table d’opération à l’aide d’électrodes. Les patients étaient conscients car ils n’avaient subi qu’une anesthésie locale. En observant leurs réponses à cette stimulation, Penfield pouvait cibler plus précisément les zones du cerveau responsables, et donc réduire les effets secondaires de la chirurgie. Cette méthode est encore utilisée aujourd’hui avec des résultats satisfaisants.

En 1935, le portugais Egas Moniz fut le premier neurologue au monde à effectuer une lobotomie. Les premières lobotomies réalisées aux États-Unis les années suivantes furent le fait de Walter Freeman et James W. Watts. L’objectif recherché était de calmer des patients violents ou émotifs qu’il était impossible de maîtriser. Cette intervention s'avéra fructueuse, du moins dans un premier temps. Toutefois, la lobotomie était associée à un taux de mortalité de vingt-cinq pour cent. De plus, les patients lobotomisés perdaient la capacité de maîtriser leurs pulsions, étaient anormalement calmes et superficiels et/ou ne montraient absolument aucune émotion. L'arrivée des psychotropes entraîna le déclin de cette pratique. En 1949, Egas Moniz obtint le prix Nobel pour ses travaux. 

 En 1936, les médecins italiens Ugo Cerletti et Lucio Bini administrèrent le premier traitement de choc par l’électricité à un patient schizophrène avec de bons résultats. Cette pratique se répandit rapidement et fut surtout utilisée aux États-Unis et en Europe. En dépit des abus antérieurs, ce traitement est toujours utilisé de manière probante aujourd’hui, mais sous une forme considérablement modifiée. En 1937, H. Houston Merritt et Tracy J. Putnam décrivirent les résultats remarquables qu’ils avaient obtenus en traitant les absences et les crises psychiques graves (épilepsie) par la phénytoïne.

Le physiologiste suisse Walter Rudolf Hess obtint le prix Nobel en 1949 pour avoir localisé dans le cerveau les zones intervenant dans le contrôle des organes internes. Hess utilisa des techniques de stimulation cérébrale mises au point à la fin des années 20, à l'aide d'électrodes implantées dans certaines aires anatomiques bien définies du cerveau. Il put ainsi obtenir une représentation des zones du cerveau correspondant à certaines réponses physiologiques. En stimulant l’hypothalamus, il parvint à induire des comportements allant de l’excitation à l’apathie en fonction de la zone stimulée.

C’est aussi en 1949 que le psychiatre australien J.F.J Cade lança l’utilisation de psychotropes à base de lithium, marquant le début de l’ère florissante de la psychopharmacologie. Ce lancement fut suivi de la mise sur le marché de plusieurs antipsychotiques performants dans les années 50. Si ceux-ci ne guérissaient pas les psychoses, ils permettaient d'en atténuer les symptômes. En 1952, la chlorpromazine (dont le nom usuel est Thorazine), substance découverte en France, fut le premier médicament antipsychotique mis sur le marché.

L’imipramine, premier antidépresseur tricyclique, fut développée à la fin des années 50. En septembre 1958, à l’occasion du premier congrès international de neuropharmacologie à Rome, Italie, le docteur Freyhan de l’université de Pennsylvanie, Etats-Unis, fut l'un des premiers médecins à exposer les effets de l'imipramine administrée à un groupe de 46 patients, dont la plupart présentaient un diagnostic de « dépression psychotique ».

Les patients participant à l'étude avaient été retenus en fonction de leurs symptômes tels que l'apathie dépressive, le ralentissement psychomoteur et les sentiments d'impuissance et de désespoir.

Pendant les années 70, le développement de nouvelles techniques d'imagerie médicale permit aux médecins et aux chercheurs d'examiner l'intérieur du cerveau plus précisément, sans ouvrir le crâne. En 1972, G. N. Hounsfield d’EMI Limited à Londres, Angleterre mit au point le premier prototype de scanner ou de tomodensiométrie. Le médecin et chercheur américain Raymond Damadian créa le premier appareil d'imagerie à résonance magnétique (IRM) au monde alors qu'il étudiait les propriétés analytiques de la résonance magnétique.

 En 1974, M. E. Phelps, E. J. Hoffman et M. M. Ter Pogossian mirent au point le premier scanner de tomographie par émission de positrons (TEP), appareil qui permet de visualiser l'activité du cerveau. Les médecins utilisent les scanners TEP pour observer le flux sanguin et la consommation d’oxygène par le cerveau.

Au début des années 90, le président des Etats-Unis, George W. Bush annonça que cette décennie serait celle du cerveau, soulignant ainsi la dimension politique nouvelle des maladies cérébrales. En 1993, le gène responsable de la maladie de Huntington fut isolé. En 1994, Alfred G. Gilman et Martin Rodbell furent co-lauréats du prix Nobel pour avoir découvert dans la cellule humaine une famille de protéines appelées les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) et leur rôle dans la transduction de signal.

En raison de leur importance physiologique et physiopathologique, les RCPG étaient appelés à devenir des cibles très efficaces pour une grande partie des médicaments modernes. En 1995, le docteur John R. Marler et ses collègues firent la démonstration de la première intervention probante chez les patients subissant un AVC.

En 2013, Ernst Bamberg et al. reçurent le Brain Prize décerné par la Fondation européenne Grete Lundbeck pour la recherche sur le cerveau, pour avoir inventé et perfectionné l'optogénétique.

Cette technique révolutionnaire permet de déclencher et d’interrompre par la lumière l’excitation de groupes de neurones génétiquement déterminés, ce qui permet de comprendre les caractéristiques de l'activité normale et anormale des circuits de neurones et aussi de concevoir de nouvelles approches du traitement des maladies du cerveau.