神经外科成立于1969年，第一任科室主任是我国著名的神经外科专家段国升教授。1978年被确定为全军第一批中心之一，1986年博士学位学科授权点，1978年硕士学位学科授权点，1996年成立总医院神经病学研究所，2005年1月通过组建全军神经外科研究所。2007年全军神经外科研究所正式挂牌成立。
神经外科经过40余年的发展壮大，解放军总医院神经外科已经成为国内最著名的神经外科中心之一。目前科室拥有床位156张，包括23张专科ICU病床。同时具备全套先进的神经外科手术器械和设备，其中包括国内第一台高场强（1.5T）术中核磁共振系统以及赛博刀（Cyberknife）和r-刀放射外科治疗系统。科室现有神经外科医生30余人，各亚专科几乎涵盖现代神经外科疾病所涉及的领域，包括脑血管病、颅底肿瘤、垂体瘤的外科治疗，功能神经外科、癫痫外科、颅脑创伤的救治、神经内镜、脊柱脊髓疾病和神经介入等。每年全科完成手术4000余例。
