Кафедра физиологии была организована в 1930 году. В организации и становлении кафедры большую роль сыграл Н.Н. Кудрявцев, ученик академика В.Я. Данилевского, затем Г.В. Скипин, ученик академика И.П. Павлова. Он проводил исследования по реакции кровеносных сосудов изолированных органов. В дальнейшем его работы имели значение для последующего развития органотерапии.
До 1936 г. кафедра не имела постоянного руководителя, а с 1936 г. кафедру возглавлял проф. А.Б. Фельдман. Под его руководством выполнялись исследования, посвященные влиянию факторов внешней и внутренней среды на функции ЦНС: эмоциональных реакций на высшую нервную деятельность, пищеварительную секрецию, сердечную деятельность (проф. П.Я.Кравцов, доц. Н.В.Маевская, доц. Л.С.Нестеренко, доц. A.B.Обоницкая, доц. С.Н.Щербаков). Работа кафедры была прервана Великой Отечественной войной. В эти годы институт был эвакуирован, многие сотрудники и студенты ушли на фронт. С 1943 года возобновилась учебная и научная работа кафедры.
С 1965 года на кафедре возникло направление научных исследований по разработке основ физиологической оптимизации и нормирования труда рабочих угольной и металлургической промышленности, которые проводились под руководством профессора Ф.Т. Агаркова совместно с ДонУГИ и ВНИИГД по заказу Комитета труда и заработной платы при Совете Министров СССР. На основании полученных данных была создана классификация горных работ по степени тяжести и нормативов отдыха, определена категорийность этих работ, оценены физиологические и экономические особенности труда в течение ночных смен и т.д. Установлена физиологически оптимальная продолжительность рабочих смен, разработаны поправочные коэффициенты при работе в противопылевых респираторах, в условиях теплового воздействия, в забоях с различной мощностью пластов и их наклонов, проведена эргономическая характеристика узкозахватных комбайнов и физиологическая характеристика труда при узкозахватной скоростной углевыемке. В 1969 году были опубликованы исследования кафедры по изучению кондиционирующей функции дыхательной системы.
В 1971-1972 гг. обязанности зав. каф. исполнял проф. Ф.Т. Агарков.
С 1972 г. по 2019 г. руководителем кафедры являлся акад. АМНУ и ВШУ, Герой Украины, почетный ректор Университета проф. В.Н. Казаков. Автор более 1000 научных работ, среди которых монографии, учебники, научно-методические руководства, патенты и изобретения. Под его руководством выполнено 18 докторских и 38 кандидатских диссертации, создана физиологическая школа Донбасса. В научной лаборатории проф. В.Н. Казакова проводились научные исследования решались фундаментальные проблемы нейрофизиологии и были сформулированы новые научные направления по изучению функций головного мозга. Вместе со своими учениками он внес значительный вклад в решение одной из сложных проблем современной нейрофизиологии — механизмов взаимоотношений мозга разума и мозга чувств. Впервые в мировой литературе были разработаны и опубликованы принципы и механизмы этих взаимоотношений, что послужило началом понимания многих психических и неврологических патологий.
В 1982 году профессор В.Н. Казаков совместно с академиком НАН Украины Ф.Н. Серковым был удостоен звания лауреата премии имени А.А. Богомольца НАН Украины за монографию «Нейрофизиология таламуса». Эта монография стала первой в мировой литературе, где были обобщены многочисленные данные о строении, связях и функциональном значении различных ядер таламуса. Научные исследования кафедры хорошо известны за рубежом. Проф. В.Н. Казаков — член Международного комитета по изучению мозга при ЮНЕСКО; почетный член Польской Академии медицинских наук; входит в состав ред. многих журнала. В 1989 г. на кафедре была организована научно-исследовательская лаборатория теоретической и прикладной нейрофизиологии, где проводились исследования в области клинической нейрофизиологии, нейротрансплантологии, эндокринологии, неврологии и психиатрии. Значительный вклад кафедры в разработке проблем функциональных взаимоотношений между новыми кортикальными образованиями и структурами лимбического мозга. В данной проблеме исследовались вопросы функциональной характеристики связей коры головного мозга с гипоталамическими образованиями, базальными ганглиями, гиппокампом, некоторыми ядрами зрительного бугра.
С 1985 по 2010 г. проф. В.Н. Казаков возглавлял Донецкий медицинский университет. В 2008 году за выдающиеся успехи в научной педагогической деятельности Валерий Николаевич удостоен звания Герой Украины.
Об авторитете кафедры физиологии с лабораторией теоретической и прикладной нейрофизиологии свидетельствует то, что на их базе за период с 2005 года по 2014 год, т.е. за 10 довоенных лет, было проведено 6 международных конференций, в которых принимали участие ученые из стран СНГ (России, Белоруссии, Грузии, Армении, Казахстана) и стран Европы (Германии, Италии, Бельгии, Польши, Финляндии).
Начиная с 2014 года с момента образования Донецкой Народной Республики В.Н. Казаков находился безвыездно в г. Донецке, принимал непосредственное участие в восстановлении полномасштабной деятельности и учебы студентов в медицинском университете. Он является одним из основных инициаторов сохранения вуза на его исторической территории в г. Донецке, в составе ДНР. Вся его жизнь – бесконечная преданность выбранному делу, вузу и служение высоким целям. Он всегда был отзывчивым, чутким и неравнодушным к чужим проблемам, всегда протягивал руку помощи нуждающимся.
Учитывая огромные заслуги заведующего кафедрой Валерия Николаевича Казакова, с 15 января 2019 г. кафедре было присвоено его имя.
С 2020 года кафедру физиологии с лабораторией теоретической и прикладной нейрофизиологии им. акад. В.Н. Казакова возглавляет доктор медицинских наук, профессор Бондаренко Надежда Николаевна. Профессор Бондаренко Н.Н. является специалистом в области морфологии, гистофизиологии и патологической физиологии, автор 290 научных работ, из них 3 монографии и 11 патентов. С 2020 года под руководством Надежды Николаевны разрабатываются следующие научные направления: «Адаптационная медицина в комплексной реабилитации больных с моно-/коморбидной патологией в условиях военного дистресса», «Патогенетические механизмы основных типовых патологических процессов». Бондаренко Н.Н. — член редколлегии журнала «Архив клинической и экспериментальной медицины», председатель диссертационного совета 21.2.400.04 по научным специальностям 3.2.1 Гигиена и 3.3.3 Патологическая физиология, возглавляет научно-координационный совет ФГБОУ ВО ДонГМУ Минздрава России. В 2023 году награждена благодарностью Министра здравоохранения Российской Федерации. С сентября 2024 г. д.мед.н., проф. Бондаренко Н.Н. исполняет обязанности проректора по науке и инновационному развитию ФГБОУ ВО ДонГМУ Минздрава России.