顧名思義就是以外科(手術)的方法來治療神經系統疾病，所以凡是神經系統的疾病能夠經由手術改善或痊癒的，都是神經外科的服務領域。神經系統包括中樞神經系統（腦與脊髓）、週邊神經系統及自主神經系統。 另外，顱骨與脊椎骨在發生病變時，會壓迫包覆在位其內的腦與脊髓而引起神經症狀，也常需要接受神經外科的手術治療。1960年台大醫院於外科部下設立神經外科等次專科，並於1968年增設神經外科總醫師一職，開始有完整之神經外科專科醫師訓練，隨後並設置神經外科專屬病房，照顧神經外科病患。四十多年來在多位知名教授與歷屆主任的指導與領導下，各個神經外科之相關領域都有長足之進步。
頭部外傷方面，本院除了提供全年無休、不分年齡的手術服務之外，近十年來更發展術後加護病房神經監測技術，包括顱內壓、腦灌流壓、穿顱都普勒超音波、頸靜脈竇靜脈氧分壓等，為國內腦重症治療之先驅，大大提高了頭部外傷患者之存活率與神經功能之保留率。
腦部腫瘤方面，本院除了進行各種常見的良性與惡性腦瘤手術治療，並擁有國內最佳的顱底腫瘤手術團隊，提供顱底腫瘤病患ㄧ線希望。此外本院自1990年初期引進術中神經監測之技術以及神經外科手術導航系統，大大提高手術之精確性與安全性。近年來再進一步將停滯發展有年的「甦醒腦部手術」加以改進，結合臨床心理專家之測試，能夠將腦瘤做最大限度的切除同時保留腦瘤患者之重要神經功能。2008年，本院引進最新一代的電腦刀，並成立電腦刀放射線治療中心，同時也派員出國學習最新的數位影像導航技術，為深部腦瘤與不適合手術治療的腦瘤患者提供一項準確有效之治療選擇，亦可做為手術治療後之輔佐性治療，以改善腦瘤病患之治療結果及生活品質。近年來，本院亦提供腦瘤的化學藥物治療，配合手術或術後的放射線治療以達到最佳的治療效果。此外也提供自費術中化學治療藥物藥片置放，在手術切除腫瘤後立即進行化學治療，以得到較佳的治療效果。
在腦血管病變方面，除了腦中風與腦出血的常規手術外，以「顱內外血管吻合術」來提供缺血腦部良好的血液循環已成為本院常見的手術方式。對於東方兒童常見的腦血管霧霧症所引發的腦中風或出血，不論以直接或間接顱內外血管吻合術治療都能獲得非常好的結果，這些成果已經在國際知名雜誌發表。本院擁有國內最堅強的神經外科與神經放射科團隊，對於各種腦血管病變，包括巨大動脈瘤或動靜脈畸形，均可提供手術、栓塞、置放血管支架、或合併治療等多種治療方式，達到最佳效果。
脊椎與脊髓病變方面，除了脊椎融合固定手術外，使用手術顯微鏡進行椎間盤軟骨切除、神經減壓等常規手術，在明亮放大的良好視野下，確保脊髓與神經在手術當中免於傷害之虞。微創脊椎手術的應用，將手術傷口與椎骨切除程度大幅減少，手術效果卻與傳統脊椎手術相當，大幅提高病患舒適性與縮短住院時程。而脊髓腫瘤與高位頸椎等複雜困難的神經外科手術，亦為本院常見之手術。近年來本院引入脊椎手術導航系統，增進骨釘固定之準確性與安全性。配合導航手術系統、手術顯微鏡、術中Ｘ光攝影、術中感覺與運動神經誘發電位監測等技術，提升手術安全性與根治率，治療成績斐然。
1993年起本科開始有專職之小兒神經外科醫師，專責十八歲以下之小兒神經外科腦部與脊椎之手術，除了於1999年引進內視鏡第三腦室造口術治療水腦症外，對小兒腦瘤、各種腦部先天畸型、水腦症、顱顏畸型、早產兒腦部手術、各種腦內視鏡手術都有最高品質之醫療服務。脊柱裂引發之脊髓黏連相關手術更是獨步全國。2008年台大兒童醫院開始營運，更將小兒神經外科之手術照護品質提升至國際水準。2009年施行亞洲第一例兒童型迷走神經刺激器置入術治療頑固型癲癇，已見初步成效。
在功能性神經外科、腦部立體定位手術、放射線手術方面也有突破的進展。例如巴金森氏症之治療，由需框架之定位手術進步到無框架定位手術，精準度不變而可大幅增加患者的舒適度，是患者的一大福音。癲癇手術方面，藉由術前腦波與影像等檢查，再配合術中大腦皮質腦波監測技術，可以準確切除癲癇病灶。此外，植入脊髓刺激器，與椎管內肌肉鬆弛劑幫浦等治療，分別對於頑固型疼痛與肢體張力過強的僵直病患，有明顯而持續的效果。
醫療服務項目包括：
一、中樞神經系統：
- 腦與脊髓的良性或惡性腫瘤，如神經膠質瘤、腦膜瘤、腦下垂體腫瘤、聽神經瘤、神經管胚細胞瘤、轉移性腫瘤、海綿狀血管瘤、顱底腫瘤、顱咽管瘤、室管膜瘤、血管母細胞瘤、及小腦腫瘤等
- 脊椎病變，如椎間盤突出、骨刺引起的神經壓迫、脊椎脫位或骨折、脊椎腫瘤等
- 外傷，如頭部外傷、腦震盪、腦挫傷、各種顱內出血、脊髓損傷、四肢麻痺或下半身癱瘓等
- 出血性與阻塞性中風，如腦中風出血、蜘蛛膜下出血、腦部動脈瘤破裂、先天動靜脈畸形、頸動脈動脈粥樣硬化症、腦血管霧霧症等
- 腦部與脊椎感染，如腦膿瘍、硬膜外膿瘍、硬膜下蓄膿、脊椎間盤感染與脊椎骨髓炎等
- 先天性疾病，如水腦症、脊髓脊膜膨出、脊髓脂肪瘤、裂髓症、顱骨骨縫過早閉合、顱顏畸型、及其他先天性腦脊髓缺陷
- 功能性神經外科手術，如顏面神經痙攣、三叉神經痛、巴金森氏症、僵直、頑固性癲癇、疼痛等
- 立體定位放射治療手術，如電腦刀
二、週邊神經系統：腕隧道症候群（正中神經痲痹）、 肘隧道症候群（尺骨神經痲痹）、 神經腫瘤（如神經鞘瘤、神經纖維瘤）、臂神經叢損傷、疼痛等
三、自主神經系統：如手掌多汗症