ประสาทชีววิทยา (อังกฤษ: Neurobiology) เป็นการศึกษาเกี่ยวกับเซลล์ชนิดต่างๆ ในระบบประสาท และการจัดระเบียบของเซลล์เหล่านี้ให้สามารถทำงานเชื่อมต่อกันเป็นวงจรเพื่อใช้ประมวลผลข้อมูลและการแสดงออกทางพฤติกรรม ประสาทชีววิทยาเป็นแขนงวิชาย่อยของชีววิทยาและประสาทวิทยาศาสตร์ ประสาทชีววิทยาแตกต่างจากประสาทวิทยาศาสตร์ซึ่งเป็นสาขาวิชาที่กว้างและเกี่ยวข้องกับการศึกษาระบบประสาทในหลายรูปแบบ นักวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาประสาทชีววิทยาเรียกว่านักประสาทชีววิทยา (neurobiologist)