Det menneskelige nervesystem er et uhyre komplekst nettverk av nervefibre som finnes overalt i kroppen. Nervesystemets funksjon er svært sammensatt og også til dels ufullstendig kjent. Selv de aller mest moderne laboratorieanalyser, og de kraftigste maskinene for billedfremstilling av menneskekroppen, er ofte ikke i stand til å gi god nok informasjon om skader og sykdom i nervesystemet. Den nevrologiske undersøkelse er en systematisk gjennomgang av hele nervesystemet bare ved hjelp av samtale og enkle hjelpemidler som reflekshammer og sikkerhetsnål. Ved en slik undersøkelse kan man ofte få svært mye bedre opplysninger om dysfunksjon i nervesystemet enn ved alle slags moderne høyteknologiske teknikker.
Formålet med den nevrologisk undersøkelse er å kartlegge hvorvidt det er tegn til skade eller dysfunksjon av det perifere eller det sentrale nervesystem (se over), og å kartlegge hvor i nervesystemet skaden eller dysfunksjonen sitter. Sykehistorien (anamnesen) er svært viktig i dette arbeidet, og nevrologen bruker gjerne lang tid på å samtale med pasienten for å ha et best mulig grunnlag for å stille diagnosen. Selve den kliniske undersøkelsen følger et systematisk mønster. Hvilke typer undersøkelser som gjøres vil være avhengig av problemstillingen og de opplysninger som er fremkommet under den innledende samtalen. I en fullstendig nevrologisk undersøkelse gjennomgås deretter systematisk mental status, de 12 parene hjernenerver, undersøkelse av hode, hals og nakke, generell bevegelsesevne, muskelstyrke, hurtighet og presisjon av bevegelse, balanse og koordinasjon, sensibilitet (ulike deler av følesansen), reflekser, gange og ulike tester for lillehjernefunksjon.
I tillegg til den kliniske undersøkelsen kan nevrologen tidvis også benytte seg av ulike billedteknikker som CT (computertomografi) og MR (Magnetresonanstomografi), ultralydundersøkelse av blodårene på halsen og i hjernen, elektrofysiologisk undersøkelse av nerveledningshastighet og muskelfunksjon, blodprøver, spinalpunksjon (ryggmargsvæskeprøve), EEG (elektroencefalografi), ulike standardiserte tester for mental, motorisk og sensorisk funksjon såvel som genetiske analyser i blod. I tillegg finnes det en lang rekke andre spesialundersøkelser og billedteknikker.
Det har blitt produsert film med klinisk nevrologisk undersøkelse til bruk i undervisning.