Систематические исследования физиологии слуха начались в Институте с 1936 г. под руководством проф. Г. В. Гершуни (с 1964 г. – член-корр. АН СССР) в организованной им лаборатории физиологии органов чувств.
В 1930-е годы был описан «электрофонический эффект»: электрическое раздражение улитки внутреннего уха вызывает слуховое ощущение. Эти работы на несколько десятилетий опередили исследования по электродному протезированию слуха.
В электрофизиологических исследованиях слуховой системы впервые в мире зарегистрированы микрофонные потенциалы улитки человека и получены развернутые данные о суммарных электрических реакциях различных отделов слуховой системы.
В годы Великой Отечественной войны исследования, носившие преимущественно прикладной характер, были направлены главным образом на изучение слуховой и локализационной функций при огнестрельных поражениях мозга и воздушных контузиях. Дальнейшее развитие этих исследований позволило сформулировать понятие об объективно регистрируемых реакциях, возникающих ниже порога слышимости (субсенсорные реакции). В 1949 г. цикл работ Г. В. Гершуни по субсенсорному восприятию был удостоен премии им. И. П. Павлова АН СССР. В 1950-е годы использование набора объективных реакций человека для тестирования слуховой функции легло в основу так называемой объективной аудиометрии. В этот же период для изучения слуховой системы широко использовались электрофизиологические методы (вызванные потенциалы, регистрация активности одиночных нейронов), что позволило подробно исследовать деятельность различных отделов слуховой системы в состоянии бодрствования и наркоза, выявить регуляторные изменения афферентной импульсации в слуховой системе.
С 1972 г. лабораторию возглавил проф. Я. А. Альтман (с 1997 г. – член-корр. РАН). Основным направлением становится изучение акустической пространственной ориентации. При исследовании механизмов локализации в пространстве неподвижных источников звука описан характер преобразования афферентной импульсации по ходу слухового пути, впервые описаны нейроны, отвечающие специализированной реакцией на направление движения звука. Основное внимание уделялось исследованию восприятия движущихся источников звука. С помощью психоакустического метода установлены основные характеристики восприятия движения источника звука в горизонтальной плоскости. С помощью поведенческого метода установлена необходимость наличия интактной слуховой области коры для обеспечения локализации движущихся источников звуков. Кроме того, при обследовании больных показано, что правое полушарие у человека играет ведущую роль в обеспечении локализационной функции. На основании исследования электрических ответов различных интегративных двигательных мозговых структур сформулировано положение о том, что окончательное опознание локализационных характеристик звуковых сигналов может осуществляться в этих «неспецифических» структурах мозга, тогда как слуховая система только представляет данные для этого опознания. За работы в области локализации источника звука в 1994 г. Я. А. Альтман награжден золотой медалью им. И. М. Сеченова Президиума РАН.
С 2011 г. по 2021 год лабораторию возглавлял к.б.н. Н.И. Никитин. Под его руководством продолжались исследования пространственной маскировки движущихся звуковых сигналов в условиях свободного звукового поля. Кроме того, продолжались начатые под руководством Я.А. Альтмана исследования пространственной разрешающей способности слуха электрофизиологическим методом с регистрацией потенциала негативности рассогласования. В области прикладных исследований было проведено изучение ориентировочной реакции на звук у детей раннего возраста (0.5–3 года), которое позволило определить основные закономерности формирования пространственного слуха в онтогенезе.
С 2021 года лабораторию возглавляет д.б.н. Лидия Борисовна Шестопалова.