Першим завідувачем кафедри фізіології медичного факультету Київського університету був обраний Е.Е.Мірам - учень К.Бернара і Ф.Мажанди. Наукові дослідження Мірама були присвячені фізіології розвитку зародка і пологової діяльності.
Після виходу Е.Е.Мірама у відставку (1862) кафедру за сумісництвом зайняв учень М.І.Пирогова і К.Людвіга - О.П.Вальтер, завідувач кафедри анатомії, який уперше відкрив вплив симпатичної нервової системи на тонус кровоносних судин. На кафедрі фізіології в ті роки також проводилися дослідження впливу охолодження і перегрівання на різні системи організму (серцево-судинну, нервово-м'язову, центральну нервову) і органи чуття. Великий інтерес мають дані про відновлення функцій при замерзанні організму. Деякі висновки з цих робіт набули звучання у розробці методу гіпотермії.
Значний внесок у розвиток кафедри вніс обраний завідувачем (1865) професор В.Б.Томса (1865) - учень К.Людвіга. За його активної участі кафедра розростається у фізіологічний інститут із двома лабораторіями - фізіологічної і медичної хімії.
Творча обстановка на кафедрі сприяла виконанню досліджень з фізіології травлення, жирової тканини, рубців (фляків), регуляції кровообігу в легенях, іннервації кровоносних капілярів, впливу пілокарпіну на серце жаби, впливів витяжіння нерва на його провідність і збудливість і багатьох інших досліджень. У 1881 р. В.Б.Томса видає підручник з фізіології.
У 1884 р. завідувачем кафедри обирається випускник фізико-математичного факультету Петербурзького університету і Військово-медичної академії С.І.Чир'єв. Як учень І.М.Сєченова С.І.Чир'єв продовжив дослідження електричних явищ у нервах і м'язах. Великих успіхів С.І Чир'єв домігся в дослідженні мікроскопічної будови і функції центральної нервової системи й органів чуття, кровообігу (залежність серцевого ритму від кров'яного тиску), написав підручник "Фізіологія людини", що витримав кілька видань (1887, 1988, 1989, 1991). Жагучий дослідник, С.І.Чир'єв, велику увагу приділяв розвитку київської школи фізіологів. Його учнями були всесвітньо відомі академік АН УРСР А.В.Леонтович і професор Ю.П.Лауденбах. Працюючи на кафедрі, яку очолював С.І.Чир'єв, А.ВЛеонтович виконав дослідження з електрокардіографії із застосуванням струнного гальванометра, відкрив найтонші нервові закінчення на тілах і відростках нервових клітин (перицелюляри), висунув теорію збудження нейрона потенціалами дії перицелюлярів.
З 1910 р. кафедру фізіології медичного факультету Київського університету очолював випускник Петербурзької Військово-медичної академії В.Ю.Чаговець, вихованець лабораторій І.Р.Тарханова і І.П.Павлова. З його приходом кафедра стала однією з найобладнаніших у Росії (на придбання устаткування було отримано 20 тис. золотих рублів). Дослідницька робота виконувалася за трьома науковими напрямками: перший - дослідження кровообігу (легеневого), механізму діастоли серця, впливу рослинних препаратів на серцеву діяльність і т. ін., другий - електрофізіологічне дослідження органів і систем, що відігравали домінуючу роль у науковій діяльності кафедри, третій - дослідження травної функції шлунка. В.Ю.Чаговець був учасником становлення Київського медичного інституту.
Багато часу В.Ю.Чаговець віддавав конструкторській роботі. За створення маятника Гольмгольця, струнних гальванометрів, першого радянського кардіографа він двічі (1933, 1935) був премійований Наркомом здоров'я УРСР, а у лютому 1939 р. був обраний дійсним членом Академії наук УРСР.
З осені 1935 р. завідувачем кафеди фізіології Київського медичного інституту, за запрошенням В.Ю.Чаговця, обирається Д.С.Воронцов. Разом з ним із Казані приїжджає П.М.Сєрков, майбутній академік АН УРСР.
Роки роботи Д.С.Воронцова на кафедрі були присвячені дослідженню процесів, що відбуваються у нервово-м'язових з'єднаннях при проведенні через них електричного струму. Особлива увага приділялася вивченню пессимума Введенського. Не заперечуючи важливої ролі парабіозу у виникненні пессимума, Д.С.Воронцов довів, що сам по собі пессимум не може викликати розслаблення м'яза, для цього необхідне активне гальмування. З метою підвищення рівня електрофізіологічних досліджень Д.С.Воронцов використовував катодний осцилограф з підсилювачем, що дозволяв вивчати потенціали дії кістякового м'яза, знайшов істотне розходження тривалості струму дії м'яза при відведенні потенціалів від ділянки нервових закінчень і безнервових її ділянок. Творчі успіхи Д.С.Воронцова були високо оцінені науковою громадськістю. У 1939 р. він був обраний членом-кореспондентом АН УРСР.
За час роботи П.М.Сєркова на кафедрі фізіології Київського медінституту за допомогою розробленого ним оригінального методу подразнення й оптичної реєстрації скорочення ізольованого м'язового волокна, були отримані дані про механізми формування тонічних і тетанічних скорочень м'язових волокон, вдалося установити тривалість фаз скорочення і розслаблення. Узагальнено дані про динаміку розвитку втоми.
У 1941 р. кафедра евакуювалась у Челябінськ. На Уралі кафедрою керувала учениця Д.С.Воронцова - С.І.Фудель-Осипова, наукові інтереси якої були пов'язані з дослідженням особливостей харчування поранених, наслідками травм периферичних нервів.
Навесні 1946 р. на завідування кафедрою обирається найстарший учень І.П.Павлова - професор Г.В.Фольборт - майбутній академік АН УРСР. Основним науковим напрямком керованої Г.В.Фольбортом кафедри стало вивчення процесів втоми і відновлення в різних органах: кістякових м'язах, залозах травної системи, серці, головному мозку. Отримані на кафедрі дані дозволили дати фізіологічне обгрунтування для розробки тренувальних режимів у фізіології спорту і трудової діяльності. Г.В.Фольборт створив школу фізіологів. Багато з його учнів очолили кафедри й
інші наукові колективи. Серед них академік АН УРСР В.В.Фролькіс, член-кореспондент АН УРСР Е.К.Приходькова, професори М.І.Пугілін, А.Б.Фельдман, Я.П.Скляров, Г.Т.Чукмасова, М.Я.Горкін, О.М.Фуголь та багато інших.
Після смерті Г.В.Фольборта завідувачем кафедри обирається професор М.І.Путілін (1960). Напрямок досліджень на кафедрі під його керівництвом - дослідження процесів утоми і відновлення на підставі температурних змін. М.І.Путілін вважав, що температурні коливання є відображенням трофічних процесів у органах і тканинах.
Дослідження професора кафедри В.В.Фролькіса були присвячені питанням стомлення і відновлення роботи серця, рефлекторної регуляції серцево-судинної системи. Ним встановлені особливості адаптації рефлекторних реакцій, значення процесів, що відбуваються в рецепторах, аферентних нервах і нервових центрах, висловлене уявлення про гемодинамічний центр як цілісну структуру регуляції кровообігу.
Під час завідування кафедрою професора Д.Г.Наливайка (1982- 1987) - учня М.І.Путіліна, вивчалися питання фізіології травлення, зокрема особливості регуляції слинних залоз, підшлункової залози, слизової оболонки шлунка і тонкої кишки.
З 1987 р. по теперішній час кафедрою керує учень академіка В.В.Фролькіса - член-кореспондент АПН України професор В.Г.Шевчук, наукові інтереси якого пов'язані з клітинно-молекулярними механізмами регуляції діяльності серця і судин, функцією і регуляцією діяльності гладенько-м'язових клітин травної системи, пошуком нових біологічно активних речовин, що протекторне впливають на функцію міокарда, тонус судин, роботу гладеньких м'язів.
За останні роки на кафедрі підготовлено 4 кандидатських та 2 докторські дисертації, видано підручник та посібник з фізіології, методичні розробки з усіх розділів предмету, 3 монографії. Як опорна, кафедра готує програми та тематичні плани з фізіології для медичного, стоматологічного, фармацевтичного та медико-біологічного факультетів, розробляє інші інформативні документи. На кафедрі працює студентський гурток, члени якого на олімпіадах і конференціях багато разів нагороджувались Дипломом НАН України, іншими нагородами.