Avdelingens viktigste forskningstradisjon har vært hodepine, knyttet til tidligere professor Ottar Sjaastad som har vært en internasjonal pionér på dette feltet. Denne virksomheten føres nå videre innenfor Nasjonalt kompetansesenter for hodepine.

Flere av avdelingens leger er involvert i HUNT 3-undersøkelsen som nå omfatter flere spørsmål med relasjon til nevrologi, slik som hodepine, muskel-/skjelettsmerter, epilepsi, Parkinsons sykdom, søvn, alkoholavhengighet og hukommelse. Professor Knut Hagen og professor Lars Jacob Stovner, begge ved Nasjonalt kompetansesenter for hodepine, har viktige funksjoner i HUNT 3-undersøkelsen, Hagen som leder for nevrofagdelen av HUNT 3 og Stovner som leder for prosjektet MR-HUNT.

I regi av professor og overlege Jan Aasly har det gjennom en årrekke vært drevet en utstrakt forskning på Parkinsons sykdom og demens. Denne forskningen, som omhandler både klinikk og genetikk, har foregått i nært samarbeid med Nevrobiologisk laboratorium og miljøer ved Mayo-klinikken i Florida. Disse prosjektene har gått under samlebetegnelsen "TrønderBrain" og de har resultert i flere doktorgrader, et fruktbart internasjonalt samarbeid og oppdagelse av nye gener som årsak til Parkinsons sykdom.

Professor Eylert Brodtkorbs forskning har i hovedsak vært relatert til epilepsi og psykisk utviklingshemning, cerebrale misdannelser som årsak til epilepsi, organisering av omsorg for epileptikere, farmakologiske og kliniske aspekter ved antiepileptika, samt på genetiske mutasjoner som kan gi spesielle epilepsisyndromer.

Førsteamanuensis Geir Bråthen har deltatt i flere studier om epilepsi, og også gjort studier over nevrologiske effekter av alkoholbruk.

Professor Harald Schrader har gjort epidemiologiske og kliniske studier over søvnforstyrrelser. Størst innflytelse har han nok hatt gjennom å ha tatt initiativ til og å lede epidemiologiske studier i Litauen over effekten av moderate hode- og nakkeskader (nakkesleng og hjernerystelse). Han har også initiert viktige studier over bruk av forebyggende medikamenter ved hodepine i samarbeid med Nasjonalt kompetansesenter for hodepine.