以实验为特征的近代生理学始于17 世纪。1628 年，英国医生威廉·哈维（ William Harvey, 1578~1657 ）发表了有关血液循环的名著《心与血的运动》一书，这是人类历史上第一次以实验的方法证实了人和高级动物的血液是从左心室射出，通过体循环的动脉血管流向全身组织，然后汇集于静脉血管回到右心房，再经过肺循环进入左心房。因此，心脏被认为血液循环的中心（见另篇）。

但在哈维时代，由于受研究工具的限制，关于动脉与静脉之间的连接只能依靠臆测，当时他认为动脉血 是穿过组织的孔隙通往静脉 的。直至 1661 年，即 在 哈维 逝世后第四年，意大利解剖学家马尔比基 （Marcello Malpighi, 1628~1694）将 伽利略（Galileo Galilei, 1564~1642）发明的望远镜改制成显微镜，并用它发现了毛细血管，这才真正将 血液循环的全部路径搞清楚，并确立了循环生理的基本规律。

以后，随着生物学和其他自然科学的发展，许多新的技术应用于生理学实验研究，使生理学的研究日益深入，生理学的知识和理论不断得到发展。另一方面，在生理学的发展过程中，由于研究对象和研究方法的分化，生理学产生了很多分支学科；这些分支学科逐渐发展成为独立的学科，从生理学科分离出来，例如生物化学、生物物理学、营养学、药理学、免疫学、病理生理学等。

在17世纪，法国哲学家和科学家笛卡儿（RenéDescartes, 1596~1650）最早将反射的概念应用于生理学，他认为动物的每一活动都是对外界刺激的必要反应，刺激与反应之间有固定的神经联系，他称这一连串的活动为反射。反射概念直至 19 世纪初由于脊髓背根司感觉和腹根司运动的发现，才获得结构与功能的依据。这一概念为后来神经系统活动规律的研究开辟了道路。

在18世纪，法国化学家拉瓦锡（Antoine Laurent Lavoisier, 1743~1794）首先发现氧气和燃烧原理，指出呼吸过程同燃烧一样，都要消耗O² 和产生CO² ，从而为机体新陈代谢的研究奠定了基础。意大利生理学家伽伐尼（Luigi Galvani, 1737~1798）在用青蛙的腿做实验时，他以铜丝拴着蛙腿悬挂在一根铁制的杠杆上，当风吹动蛙腿使之偶然碰到铁杠杆时，蛙腿肌肉就发生抽缩，这一现象起先被认为是生物组织的生物电刺激了肌肉而引起肌收缩，而实际上是两种不同金属相接触可产生电流，蛙腿肌肉收缩正是由这种电流刺激所致。这一发现一方面促使意大利物理学家伏打（ Alessandro Volta, 1745~1827）发明了电池，另一方面促使生物电学这一新的生理研究领域的开始。

19 世纪，生理学开始进入全盛时期。首先应提到法国的著名生理学家克劳德 · 伯尔纳（ Claude Bernard, 1813~1878 ），他在生理学的许多方面进行了广泛的实验研究（见另篇），并做出了卓越的贡献，特别重要的是他提出的内环境概念已成为生理学中的一个指导性理论。他指出血浆和其他细胞外液乃是动物机体的内环境，是全身细胞直接生活的环境，内环境的理化性质，如温度、酸碱度和渗透压等的恒定是保持生命活动的必要条件。

1847 年，德国生理学家路德维希（Carl Friedrich Wilhelm Ludwig, 1816~1895）发明了记纹器（Kymograph），这是生物科学史上具有划时代意义的重大事件。利用这套装置，配合当时已经创造的水银检压计以及电计时信号器，便可把血压及心肌等肌肉收缩曲线完整地记录在贴于转动的记纹鼓上的烟熏纸上。这等于让心、肺、胃、肠等器官用各自的语言描绘出自己的活动。因此，在随后的一个多世纪里，记纹鼓便成为生理学实验室的必备仪器，对生命科学的发展起了十分重要的推动作用。此外，路德维希还对血液循环的神经调节做出了重要贡献，对肾脏的泌尿生理也提出了有价值的设想。与路德维希同时代的德国生理学家海登海因（Rudolf Peter Heidenhain, 1834~1897）除了对肾脏泌尿生理提出不同的设想外，还首次运用慢性的小胃制备法来研究胃液分泌的机制，他设计制备的小胃被称为海登海因小胃（Heidenhain pouch）；这一小胃制备法后来经俄国著名生理学家巴甫洛夫（Ivan Petrovich Pavlov, 1849~1936）改进为巴甫洛夫小胃（Pavlov pouch），分别证实了胃液分泌的调节既有体液机制又有神经机制，因而他们都对消化生理做出了不朽的贡献。

德国物理学家和生理学家赫尔姆霍茨（Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz, 1821～1894）除运用他丰厚的物理学知识对视觉和听觉生理做出了杰出的贡献外，还创造了测量神经传导速度的简易而相当精确的方法，为后人所称道。

20世纪前半叶，生理学研究在各个领域都取得了丰硕的成果。1906年英国著名生理学家谢灵顿（Charles Scott Sherrington, 1857～1952）出版了他的经典著作《神经系统的整合作用》，他对脊髓反射的规律进行了长期而精细的研究，为神经系统的生理学奠定了巩固的基础。与此同时，俄国生理学家巴甫洛夫从消化液分泌机制的研究转到以唾液分泌为客观指标对大脑皮层的生理活动规律进行了详尽的研究，提出著名的条件反射概念和高级神经活动学说。

美国生理学家坎农（Walter Bradford Cannon, 1871～1945）在长期研究自主神经系统生理的基础上，于1929年提出了著名的稳态概念，进一步发展了伯尔纳的内环境恒定的理论，认为内环境理化因素之所以可以在狭小范围内波动而始终保持相对稳定状态，主要依赖于自主神经系统和某些有关的内分泌激素的经常性调节。

坎农的稳态概念在20世纪40年代由于和控制论的结合，使人们认识到机体各个部分从细胞到器官系统的活动，都依靠自身调节机制的作用而保持相对稳定状态，这些调节机制都具有负反馈作用。此后，控制论、系统分析和电子计算机等一系列新观念、新技术的引进，使得生理学在定量研究方面迈出了一大步，出现数学生理学这一新的边缘学科。

中国近代生理学的研究自20世纪20年代才开始发展。1926年在生理学家林可胜的倡导下，于1926年成立中国生理学会，翌年创刊《中国生理学杂志》，新中国成立后，改称为《生理学报》。中国生理学家在这个刊物上发表了不少很有价值的研究论文，受到国际同行的重视。