フロイトの神経解剖学・神経組織学上の業績は、精神分析以前の若い研究者としての仕事に集中しています。ウィーン大学で比較解剖学・生理学の訓練を受けた彼は、カール・クラウスのもとでウナギを解剖したのち、エルンスト・ブリュッケの生理学研究所で顕微鏡観察に従事しました。フロイト博物館によれば、彼はヒトおよび動物の組織標本を扱う熟練した顕微鏡研究者となり、1882年までに主に魚類の神経系に関する科学論文を5本発表しています。

中心的な対象は、ヤツメウナギ類、特に Petromyzon planeri やその幼生 Ammocoetes の脊髄でした。フロイトは脊髄神経細胞、後根、脊髄神経節の形態を詳細に描写し、低等脊椎動物の神経系を比較解剖学的に検討しました。これは、精神過程を語る以前のフロイトが、まず神経系の発生・構造・系統発生を実証的に追っていたことを示しています。フロイト博物館の展示解説も、彼の初期科学キャリアを「魚類の脊髄神経節からヒト延髄研究へ、さらに精神分析へ向かう過程」と位置づけています。

神経組織学では、1882年のザリガニ神経細胞研究が重要です。彼は神経線維内の微細な線維状構造、すなわち神経原線維に相当する構造を観察し、神経細胞と線維との連続的関係を論じました。後世の研究史では、この仕事はニューロン説や神経細胞骨格研究の前史として評価されることがあります。ただし、フロイト自身がカハールのようにニューロン説を決定的に確立したわけではなく、観察と記述の先駆性に意義があります。

また1884年には『Brain』誌に「脳および脊髄の神経路研究のための新しい組織学的方法」を発表しました。これは延髄の構造と発達を研究する過程で得た染色法で、神経線維を明瞭に可視化し、とくに新生児・胚の中枢神経系における線維束の追跡に有用だとされました。フロイト自身も、この方法によって軸索円柱を数えられるほど明瞭に観察できると述べています。

フロイトの神経解剖学・神経組織学の業績は、比較神経解剖、神経細胞の微細構造、脳幹・脊髄の線維路研究にあります。のちの精神分析家としての名声に隠れがちですが、彼は19世紀末神経科学の実験室文化の中で訓練され、神経系を「見える構造」として追究した研究者でもありました。