Кафедра физиологии человека и животных была учреждена в феврале 1876 г. по инициативе проф. Н.О. Ковалевского. В Казанском Императорском университете это была вторая кафедра физиологии естественного разряда физико-математического факультета, первая была создана на медицинском факультете. Возглавил кафедру ученик И. М. Сеченова по Военно-медицинской академии экстраординарный проф. К.В. Ворошилов. К.В. Ворошилов в 1889-1899 гг работал в должности ректора, занимался строительством университетских клиник. Ординарный проф. А.Ф. Самойлов возглавлял кафедру с 1903 по 1930 гг. Им была создана электрофизиологическая лаборатория, в которой впервые в России в 1906 г. были зарегистрированы электрокардиограммы сердца лягушки и человека – здорового и больного. Почти двадцать лет физиологическая лаборатория служила центром обучения электрофизиологическим методам исследования. Благодаря Самойлову в медицине стали использоваться принципиально новые клинико-лабораторные методы исследования организма человека, создано направление клинической физиологии. В двадцатые года ХХ в. на кафедре изучались механизмы передачи возбудительных и тормозных влияний в нервной системе и двигательном аппарате. Самойлову принадлежит приоритет в установлении химического процесса передачи импульса с нерва на мышцу.

С 1930 по 1935 гг. кафедрой заведовал проф. Д.С. Воронцов. Он продолжил традиционные исследования нервно-мышечного препарата и процессов утомления в нём, а также изучал вопросы эволюционной физиологии и физиологии труда.  М.А. Киселев (1935-1937), ученик А.Ф. Самойлова, организовал на биологическом факультете одну из первых в стране специализаций по физиологии труда.  В годы Великой Отечественной войны проф. Н.П. Резвяков (1938-1948) приблизил теоретические проблемы физиологии к практической медицине и предложил использовать винил-бутиловый эфир и его полимер для заживления ран. Сотрудники проводили исследования по действию этого препарата в эксперименте и клинике.  Проф. И.Г. Валидов (1948-1965), ученик Самойлова и Воронцова, изучал механизмы синаптической передачи возбуждения с нерва на мышцу и впервые доказал участие ионов кальция в этом процессе. Это представление о роли кальция получило широкое признание в науке.

Основной темой исследований кафедры под руководством проф. Л.Н. Зефирова (1965-1991) было изучение роли медиаторов в деятельности и регуляции двигательного аппарата. Зефировым была установлена регуляторная роль медиатора ацетилхолина в нервно-мышечном препарате. Совместно со своим учеником, доцентом В.И. Алатыревым, он возродил клиническое направление исследований. В 70-х годах на кафедре интенсивно разрабатывался вопрос о физиологических механизмах контрактур в эксперименте и клинике; были возобновлены прикладные исследования по физиологии труда: исследовались режимы труда и отдыха для рабочих химической промышленности, вопросы профессиональной пригодности и отбора на рабочие специальности в моторостроении и др. При кафедре были созданы лаборатории физиологической электроники и психофизиологии, в которых создавали приборы для нейрофизиологических исследований, изучали психофизиологию речевой деятельности и памяти.

Проф. В. И. Алатырев (1991-1996) положил начало новому направлению кафедры по проблеме изучения механизмов тонических защитных рефлексов у животных и человека. Им описана электромиографическая картина тонического рефлекса, установлены основные механизмы и условия деятельности сегментарного аппарата мозга при тонических защитных реакциях; разработана классификация электрических реакций скелетных мышц, возникающих на фоне длительного болевого раздражения; разработал метод диагностики, который был успешно применен для оценки функционального состояния мышц.

Под руководством  И. Н. Плещинского (1996 — 2012) сотрудники кафедры продолжали научные исследования, заложенные его учителями — Л.Н. Зефировым и В.И. Алатыревым. Основное направление исследований связано с изучением проблем управления движениями у человека и животных. На кафедре сложилось несколько научных групп преподавателей, аспирантов и студентов, изучающих различные аспекты этой проблемы. Сотрудники кафедры проводили научные исследования по состоянию спинальных двигательных центров в условиях травматического повреждения нервной системы, изучали соразмерность деятельности соматического и двигательного компонентов в многоуровневой системе управления двигательной активностью, состояние нервных центров в условиях антигравитации. Кроме того, развивалось направление по исследованию регуляций синаптических функций с использованием микроэлектродных методов регистрации ионных токов нервного окончания и потенциалов концевой пластинки.
Проф. Г.Ф. Ситдикова заведует кафедрой с 2012 г. Под ее руководством ведутся исследования молекулярных механизмов межклеточных взаимодействий в возбудимых структурах в норме и патологии, а именно, роль мембранных рецептор-канальных комплексов, клеточных сигнальных систем и медиаторов в функционировании центральной и периферической нервной систем, в регуляции функций сердечно-сосудистой системы и желудочно-кишечного тракта. Изучаются механизмы регуляции секреции медиатора, экзо- и эндоцитоза синаптических везикул в центральных и периферических синапсах экзогенными и эндогенными биологически активными соединениями. На кафедре в рамках гранта Правительства РФ для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых была создана Научно-исследовательская лаборатория нейробиологии при непосредственном участии ведущего ученого — директора исследований АМН Франции Хазипова Р.Н. Основной научной задачей лаборатории является исследованию развития мозга на ранних этапах онтогенеза. Сотрудники кафедры также продолжают электромиографические исследования организации системы управления движениями при нарушении и/или ограничении двигательной активности и анализ преобразований, регистрируемых в различных звеньях двигательного аппарата в этих условиях; разрабатываются приборы экспресс-диагностики заболеваний внутренних органов; изучают некоторые психофизиологические проблемы, в частности, механизмы адаптации к стрессу, функциональной асимметрии мозга; ведется работа по изучению истории кафедры.