天津市神经外科研究所成立于1993年，现设5个基础研究室和10个临床研究室,分别为神经生化、神经细胞、动物实验、神经系统疾病样本库、显微解剖、生物综合治疗、神经病理、颅脑创伤、血管外科、神经放射、神经电生理、神经康复、颅底外科、小儿神外和功能神外等研究室。主要开展颅脑创伤、脑肿瘤、显微神外、血管内介入治疗等各种神经系统疾病的临床和基础应用研究。研究所共计63人，其中专职人员11人；仪器设备共计10413万元，5万元以上设备112台；近5年来，研究所承担了国家自然基金5项、省市级科研课题研究多项，培养博士、硕士研究生52名。研究所将秉承服务于临床，应用于临床的宗旨，充分进行资源整合、学科融合，汇聚人才，组建一支高水平的基础研究和转化医学创新型研究团队。
神经生化研究室主要在细胞和分子水平上进行神经内外疾病的基础和应用研究，拥有较完善和先进的生化和分子生物学的仪器，如美国BD公司的Canto II 流式细胞分析仪、美国WATERS公司的超高压液相、美国默克密理博公司液相芯片（Magpix）、瑞典ROCHE公司的LightCycler 480Ⅱ实时荧光定量PCR仪、美国FluorChem Q 高灵敏蛋白印迹成像和多色荧光定量分析系统、美国Beckman公司 Allegra X-30R Centrifuge离心机等大型仪器及实验室常规电泳等小型仪器。
神经细胞研究室以细胞生物学为主，专注于中枢神经系统肿瘤细胞、神经干细胞及原代神经细胞的培养，尤以神经干细胞的原代培养及其诱导分化在国内较为领先，配有专门的慢病毒或腺病毒转染的生物安全柜开展细胞转染技术。实验室拥有TE2000U倒置相差荧光显微镜、BX63电动正置荧光显微镜、Thermo三气培养箱和普通二氧化碳培养箱以及相应的基础设施。
神经病理研究室以神经病理为主，以脑组织切片及细胞为主，积极开展免疫组织化学研究和分子遗传等研究，实验室拥有ASI荧光原位杂交（FISH）图像采集分析系统、Leica活体组织振动切片机、Thermo三气培养箱和普通二氧化碳培养箱、Leica冰冻切片机CM1950，石蜡切片机RM2245等相应设备实验动物中心为我院转基因鼠、裸鼠、大鼠、兔子等动物模型实验提供了教学科研平台。拥有液压打击仪、水迷宫、立体定位仪、激光多普勒、显微解剖镜、超净台、高压灭菌器等配套设备，可制作颅脑创伤、脑出血、脑梗塞、脊髓损伤等各类模型，并可提供转基因小鼠操作、异种移植肿瘤、行为学分析、学习认知、脑血流检测、微透析等相关技术支持。
神经系统疾病样本库自2011年底正式启用，依托我院脑系专科医院特色，系统收集和存储手术切除的神经肿瘤组织和体液样品以及病理诊断、治疗效果等方面的相关信息平台。为神经肿瘤临床和基础研究提供重要的资源。现有专职技术员2名。液氮罐3个、-80℃冰箱3台、-40℃冰箱2台、4℃冰箱1台。目前，有神经系统肿瘤800余例、耳鼻喉系统肿瘤7例、角膜上皮细胞10余例、脑脊液标本10余例，血液标本1400余例，共计14000余管。有脑膜瘤、胶质瘤、海绵状血管瘤、神经鞘瘤等等，病理分型30余种。
显微解剖实验室成立于2007年，以神经手术入路为主线，对我院及进修医师进行了系统的显微解剖培训，拥有14台ZEISS培训显微镜、1台内窥镜手术仪、4台微型磨钻及相应的照相设备。通过每半年的24节课程，对显微神经外科解剖知识深入研究，完善手术入路，成为天津市乃至全国的神经外科医生培训基地。目前已有30余名博士或硕士、来自全国的100多名医生参加了培训。另外每年举办显微解剖讲座50讲。参加人数2000余人次。
生物综合治疗实验室以生物治疗技术研发及转化为特色，针对神经肿瘤、帕金森等神经疾病，开展神经干细胞扩增及分化、神经肿瘤免疫微环境、免疫细胞活化及基因修饰、肿瘤疫苗等方面研究，为神经肿瘤的生物治疗研究提供技术支撑体系和创新平台。
