Un altro degli interessi considerati minori di Freud era la neurologia. Fu uno dei pionieri delle ricerche sulla paralisi cerebrale e pubblicò numerosi documenti medici sull'argomento. Dimostrò anche, precedendo altri ricercatori suoi contemporanei che iniziavano lo studio sugli stessi argomenti, l'esistenza della neuropatia. Affermò che William John Little, il quale per primo identificò la paralisi cerebrale, aveva torto nell'inferire che la mancanza d'ossigeno durante il parto fosse causa della malattia. Suggerì, invece, che le complicazioni del parto fossero solo un sintomo del problema. Egli sosteneva che la psichiatria, la psicologia, la psicoanalisi e la neurologia fossero collegate: l'inconscio e le sue problematiche erano la rappresentazione teorica di un problema fisico, anticipando così la visione della psichiatria biologica e il ruolo dei neurotrasmettitori nella genesi della patologie mentali. In particolare la genetica, l'anatomia e la neurologia stabilirono che nel cervello umano sono presenti zone più antiche e istintive, come l'Es freudiano, ad esempio l'amigdala, e zone più razionali, come il Super-io, ad esempio i lobi frontali e in generale la corteccia cerebrale. Solo alla fine degli anni 1980 le speculazioni neurologiche di Freud sono state confermate dalle ricerche di neuropsichiatria più avanzate.