Под руководством академика АН БССР И.А. Булыгина, возглавлявшим работу Института с 1953 по1984 г, коллективом физиологов в тесном контакте с морфологами, биохимиками и клиницистами была изучена роль интероцептивных рефлексов в деятельности организма, установлен цепной характер реакций внутренних органов на раздражение интеро- и экстерорецепторов при болевых и пищевых воздействиях, подробно изучена структурно-функциональная организация вегетативных ганглиев и периферической (вегетативной) нервной системы, разработаны способы направленного изменения и восстановления структуры и функции внутренних органов при патологии.
В период с 1984 по 2005 г. Институт возглавил академик НАН Беларуси В.Н. Гурин. Основные направления исследований в этот период включали изучение общих закономерностей деятельности нервных центров, обеспечивающих регуляцию функций внутренних органов. Исследования системных механизмов регуляции температуры тела и компенсаторно-восстановительных процессов в тканях при действии физически активных веществ. Анализ нервных и гуморальных механизмов регуляции функций при экстремальных воздействиях и неблагоприятных влияниях факторов внешней среды.
Руководство Институтом с 2005 по 2010 г. осуществлял академик НАН Беларуси В.С. Улащик. Важнейшие направления научной деятельности: изучение механизмов формирования патологических состояний организма и обоснование новых технологий профилактики, лечения и реабилитации; нейрофизиологический анализ механизмов контроля жизненно важных функций организма в норме и при патологии; исследование молекулярных механизмов пролиферации, дифференцировки и онкогенеза. Исследование физиологического и лечебного действия физических факторов и разработка новых технологий физиотерапии и физиотерапевтической аппаратуры.
С 2010 г. по 2018 директором Институт физиологии НАН Беларуси являлся член-корреспондент НАН Беларуси, И.В. Залуцкий. Сохраняя и развивая традиционные направления исследований, проводимые в институте на протяжении последних лет, основная научная деятельность подразделений в настоящий период сосредоточена на изучении механизмов формирования патологических состояний организма (в первую очередь гипоксических и нейродеструктивных) и обосновании новых технологий профилактики, лечения и реабилитации. Особое внимание уделено разработке комплексных способов лечения злокачественных опухолей с использованием эффекторов блокады метаболизма и высокоинтенсивных импульсных магнитных полей и способов контроля пролиферации опухолевых клеток, основанных на изменении функционального состояния нейрорецепторов in vitro и in vivo, а так же разработке метода иммунотерапии пациентов, страдающих раком поджелудочной железы, с использованием аутологичных дендритных клеток праймированных антигенами опухоли и выяснения новых механизмов опухолеобразования, обоснование путей профилактики. Проводятся исследования молекулярных механизмов пролиферации, дифференцировки и онкогенеза; физиологического и лечебного действия физических факторов и разработки новых технологий физиотерапии и физиотерапевтической аппаратуры и экспериментальный анализ позитивных и негативных аспектов применения наночастиц и гетероциклических соединений в биомедицинских технологиях. Изучаются нейрофизиологические основы дисрегуляции функций внутренних органов при ишемии нервной ткани различного генеза. Выполняются работы по физиологии питания и спота. Ведутся доклинические исследования лекарственных препаратов и наноматериалов.
«С 2018 года по 2023 г. руководство институтом осуществлял член-корреспондент НАН Беларуси, профессор, доктор медицинских наук Губкин Сергей Владимирович. Под руководством Сергея Владимировича Губкина проводятся исследования по безопасности биосубстанций, биотерапевтических средств, фармакологических комплексов и изделий медицинского назначения на основе договоров с предприятиями-производителями и научно-исследовательскими учреждениями. Сотрудниками института проводятся исследования механизмов взаимодействия нейронов и глиальных клеток в норме и при патологии. Изучается функциональная роль биопрепаратов (обогащенной тромбоцитами плазмы, суспензии митохондрий, мезенхимальных стволовых клеток и т.д.) в активации репаративных процессов при инсультах и травмах мозга, ишемии нижних конечностей. Научными сотрудниками проводится отработка методик стабильного дистанционного мониторинга жизненно-важных функций человека (сердце, сосуды, дыхание, температура, двигательная активность, активность мозга). Особое внимание уделяется изучению функциональной роли межклеточного матрикса и стволовых клеток в развитии новообразований. Разрабатываются клеточные технологии для терапии злокачественных заболеваний. Институт также осуществляет оценку лечебных и лечебно-профилактических свойств природных минеральных вод и эффективности пре- и пробиотиков – продуктов питания, пищевых добавок. Сотрудники Института физиологии НАН Беларуси под руководством директора института осуществляют тесное научное сотрудничество с учеными России, Китая и Узбекистана.