Кафедра открыта в 1934 году. Организатором и руководителем кафедры до 1941 г. являлся профессор Г.А. Фещенко, прибывший из Минского медицинского института. Кафедра размещалась в учебном корпусе института на ул. Суворова.

С декабря 1946 по декабрь 1949 г. кафедру возглавлял доцент В.И. Башмаков, воспитанник физиологической школы профессоров А.Ф. Самойлова и М.Н. Шатерникова (г. Москва).

С 1949 по 1962 год кафедрой заведовала профессор Э.С. Алексенцева.

Под руководством профессора Э.С. Алексенцевой ассистенты Т.Т. Островская и Р.Н. Никонорова изучали процессы истощения и восстановления функций слюнной железы и скелетных мышц при повышенном артериальном давлении.

С 1962 по 1970 г. кафедрой руководил доцент Г.М. Прусс, сыгравший активную роль в формировании педагогического коллектива кафедры и в создании основного направления научных исследований - физиологии сердечнососудистой системы. Под руководством доцента Г.М. Прусса ассистенты А.П. Божко и Н.С. Новицкий изучали функциональные и метаболические механизмы адаптации сердца в норме и при экстремальных воздействиях, а также механизмы изменения деятельности сердечнососудистой системы и дыхания при открытом пневмотораксе. Выполнялись опыты с резекцией правого и левого желудочков сердца с последующей реставрацией дефектов.

По результатам этих исследований защитили кандидатские диссертации ассистенты А.П. Божко и Н.С. Новицкий. При консультативной помощи Г.М. Прусса на кафедре выполнялись экспериментальные работы по докторским диссертациям И.Л. Сосновика и Г.З. Лурье, кандидатским диссертациям Н.Ф. Быкова, И.В. Морхата, А.И. Кузнецовой, Л.А. Рейснер, Л.С. Сипаровой, И.А. Эдельштейна и др. В 1946-1964 гг. сотрудники кафедры опубликовали 86 научных работ.

С 1970 по 1998 г. заведовала кафедрой профессор А.П. Божко. За весь период существования университета на кафедре развивалась научно-педагогическая школа по изучению функциональных и метаболических аспектов различных форм адаптации сердца. Проф. А.П. Божко создана научно-педагогическая школа по изучению роли тиреоидных гормонов в этом процессе.

С 1998 по 2002 г. кафедрой заведовал проф., действительный член Международной Академии проблем гипоксии В.И. Кузнецов, докторская диссертация которого (1991 г.) была выполнена в рамках научного направления «Адаптационная медицина». Начиная с 1990 года, на кафедре развивается научное направление по клинической физиологии, посвященное изучению механизмов адаптации организма к периодической гипо- и нормобарической гипоксии и использованию этой адаптации для лечения неинфекционных заболеваний (проф. В.И. Кузнецов). На базе областного диагностического Центра оборудован кабинет «горного воздуха», где пациенты проходят курс лечения адаптацией к гипоксии. В 1999 году открыто отделение гипобаротерапии, где установлена многоместная медицинская гипобарическая барокамера «Урал-Антарес». С 1997 г. на кафедре читается элективный курс «Адаптационная медицина: теоретические основы и клиническое применение».

С 2003 г. по 2007 год кафедру возглавлял Председатель Витебского отделения Белорусского общества физиологов им. И.П.Павлова, действительный член Нью-Йоркской Академи Наук, член общества экспериментальной биологии и медицины (США) доктор медицинских наук, профессор Александр Петрович Солодков. Им развито научное направление по изучению состояния эндотелийзависимого механизма регуляции сосудистого тонуса при различных функциональных состояниях и патологических процессах. C 2000 г организовал и провел цикл Международных научно-практических конференций «Дисфункция эндотелия: экспериментальные и клинические исследования». Профессором А.П. Солодковым создана научно-педагогическая школа «Проблемы дисфункции эндотелия». Под его руководством защищены 2 диссертации на соискание ученой степени доктора медицинских наук и 11 диссертаций на соискание ученой степени кандидата медицинских наук. С 2009 г Александр Петрович Солодков ректор Учреждения образования «Витебский государственный университет имени П.М. Машерова». В 2012 году избран членом Совета Республики Национального собрания Республики Беларусь.

С 2007 по 2014 г. кафедрой руководил доцент Николай Сергеевич Новицкий. В соавторстве с сотрудниками кафедры подготовил «Практикум по физиологии с основами анатомии» для студентов фармацевтического факультета. Имеет более 40 научных работ. Многократно избирался членом горкома и райкома КПБ, депутатом районного Совета народных депутатов, членом райисполкома.

С 2014 г. по настоящее время кафедрой руководит доцент, кандидат биологических наук, Лазуко Светлана Степановна.

На протяжении десятилетий тесные творческие связи кафедра поддерживает с НИИ общей патологии и патофизиологии РАМН, Московской медицинской академией им. И.М. Сеченова, с Киевским НИИ органической химии и физиологии им. Богомольца НАН Украины.

В настоящее время на кафедре работает 11 преподавателей: 2 доктора наук, 3 кандидата наук наук и 4 без ученой степени.