19世纪后半叶，癫痫理论和实践发生了一场革命风暴，位于伦敦皇后广场的国立瘫痪和癫痫患者医院（简称国立医院）正是这场革命的中心，国立医院成立于1860年，是世界上首家专门为神经疾病患者建立的医院，医院诚如其名，收治了来自全国各地的患者，其中多数为癫痫患者。国立医院的成立吸引了大量公众媒体的关注，许多报刊对其争相报道；对专科医院一贯持反对态度的柳叶刀杂志发表社论，认为可以为癫痫疾病制定特例，并表示医院的声誉取决于员工。癫痫在医院里引起了极大的科学兴趣，而大量的癫痫患者成为科学家们丰富的研究对象，皇后广场成了“神经病学领域的麦加”。医院对医务人员的挑选也异常严格，这项工作由医务委员会负责，并在接下来的几十年里，任命了一系列杰出的医生。伟大的“神经学之父”及“癫痫之父”约翰·休林斯·杰克逊（John Hughlings Jackson）在1862年被任命为国立医院的第三位医生，他的工作使癫痫在很短时间内上升到医学思想的前沿（推荐阅读：神外历史上的今天｜Jackson与癫痫）。杰克逊利用他对癫痫的见解发展了一种神经疾病理论，他假设癫痫是由大脑皮层神经元能量放电引起的，大脑皮层是由躯体特定区组织起来的。该理论提供了一种结构和系统，取代了以前相当随机的观察结果。

费里尔十分欣赏杰克逊的理论观点，并计划为其提供实验证据。1873年初春，爱丁堡大学校友兼韦克菲尔德地区西骑精神病院（West Riding Lunatic Asylum in Wakefield）院长詹姆斯·克里顿·布朗（James Crichton-Browne，1840-1938）在院内病理学实验室为费里尔提供了实验室空间，使费里尔获得“自由供应”的实验动物，费里尔应用交流电和损伤刺激了鸽子及几种不同哺乳动物（包括兔子、猫、狗和豚鼠）的大脑区域，对每只实验动物进行一些刺激或损伤，记录它们的反应，通常在绘制的大脑草图上记录刺激的位置。这项工作旨在对两位德国医生古斯塔夫·弗里奇（Gustav Fritsch，1838-1907）和爱德华德·希泽（Eduard Hitzig，1837-1927）的研究进行拓展，他们的研究表明，应用直流电对大脑皮层进行电流刺激，会导致狗的对侧肢体运动。费里尔曾由衷地感谢布朗“为我的研究提供了大量的鸽子、家禽、豚鼠、兔子、猫和狗”。

春末，在韦克菲尔德完成研究后，费里尔返回伦敦，任职国王学院法医学教授，在伦敦朗伯斯区布朗动物疗养所（Brown Animal Sanatory Institute in Lambeth）继续大脑皮层功能定位研究工作。在英国皇家学会（The Royal Society）的资助下，费里尔能够通过对猫、狗和兔子的大脑应用交流电刺激和皮层消融实验来探索皮层定位现象。也正是在布朗研究所，费里尔将研究对象扩展到猕猴。在猕猴的大脑皮层中，他识别了15个不同的区域，在这些区域中，电刺激可以引起运动。他进行了消融实验，通过将大脑区域的部分切除证实了皮质区域的功能，并确定了感觉和运动功能。费里尔发现，大脑半球的前部是自主运动和智力活动的主要中枢，各个脑回路是独立的、截然不同的中枢，而运动效应是交叉的，癫痫在这些皮质中枢释放病变，即动物大脑皮层特定区域的激活可能导致身体相应部位的癫痫发作，这一系列的实验论证了杰克逊关于单侧癫痫是由对侧大脑皮层损伤放电引起的理论。费里尔还意识到，在组织结构上存在着显著的物种差异，他曾写道:“青蛙和鸽子的生理学经常是临床医学的祸害。”。尽管如此，费里尔还是在猕猴实验中灵光乍现，开创性地将猕猴的大脑皮层图谱转移到了人脑。

1873这一年，费里尔在学术著作方面也非常多产。“早春”实验刚结束，4月费里尔就在《英国医学杂志》（British Medical Journal）上发表了一篇摘要；6月至9月，费里尔在布朗研究所进行猕猴实验，随后在《西骑精神病院报告》（West Riding Lunatic Asylum Reports）上发表了一篇内容详实的实验论文；9月向英国学术协会（British Association）提交了一篇关于他的实验的论文；11月在《解剖与生理学杂志》（Journal of Anatomy and Physiology）上发表了另一篇重要摘要。1873年冬到次年，费里尔写了一份136页的手稿（附16幅绘图）——《大脑功能定位》（On the Localization of Function in the Brain），并于1874年2月20日呈递伦敦皇家学会（Royal Society of London）。在如此短的时间内，费里尔从实验室工作到推广他的发现方面都卓有成效，取得了惊人的成绩。

1876年，费里尔出版了首部著作——《大脑的功能》（The Functions of the Brain），献给密友兼导师杰克逊，并顺利当选皇家学会（Royal of Society）会员。1886年，费里尔将该书再版，对该书的内容进行了大幅的扩充并对当时该领域的研究进行了深入的综述，该书详述了费里尔的一些成名实验，这些实验后来成为神经科学实验领域的经典。1878年，费里尔出版了第二本书《大脑疾病的定位》（ The Localization of Brain Disease），内容是大脑不同的功能分区在内科中的应用。

1878年，费里尔同好友杰克逊和克里顿·布朗一起创办了杂志《大脑》（Brain），他们和约翰·巴克内尔（Sir John Charles Bucknill，1817-1897），在同年共同担任该杂志的第一任编辑。1880年，37岁的费里尔向国立医院投递了一份简明扼要、严谨恳切的门诊医师申请信，随后被任命为该院的第十四位医生，与约翰·休斯·杰克逊（John Hughlings Jackson）、威廉·高尔斯（William Gowers）和维克托·霍斯利（Victor Horsley）成为同事，共同为癫痫作出了重大贡献。后来国立医院为了纪念费里尔做出的杰出贡献，将一间病房以大卫·费里尔命名。

1881年，在伦敦举行的第七届国际医学大会（Seventh International Medical Congress）上，费里尔与来自德国斯特拉斯堡大学（the University of Straßburg）的生理学教授弗里德里希·利奥波德·戈尔茨（Friedrich Leopold Goltz，1834-1902）发生了一次著名的公开争执。戈尔茨教授是弗卢伦萨体系（Flourentian system）仅存的几位拥护者之一，认为如同心灵本身一样，心灵的器官也是一体的、不可分割的。而费里尔提出的大脑功能定位理论，向时下大众广泛认同的大脑功能等位理论（即非定位化）发起挑战，他在会上介绍了一只因运动皮层损伤而导致偏瘫的狒狒。这只动物的症状与偏瘫的临床症状非常相似，以至于法国著名神经学家让-马丁·沙可（Jean-Martin Charcot，1825-1893）在台下惊呼“这简直就是个病人！”（“C’est un malade!”）。一个独立小组给该狒狒尸检后证实了皮质损伤，发现其范围和位置与费里尔描述的完全一致。这次争执的结果使费里尔的大脑功能定位占了上风，定位学派的发展日益迅速。然而，猴子大脑皮层小区域切除实验对动物实验的反对者来说是难以接受的，同年11月，根据1876年虐待动物法案，费里尔因进行了“可怕和令人震惊的实验”，而被传唤到弓街警察法庭（Bow Street Police Court）出庭。这一起诉引起了全世界的关注，杰克逊、李斯特、博登-桑德森（Burdon-Sanderson）和沙可都出席了听证会，这项指控最终以减轻全世界医学负担，造福癫痫患者为由被撤销了，因此费里尔可以继续他的临床和实验工作。

1883年末，费里尔因大脑功能定位研究荣获著名的马歇尔·霍尔奖（Marshall Hall Prize），并在皇家医学和外科学会（The Royal Medical and Chirurgical Society）发表了声情并茂的精彩演讲《大脑定位：综述与展望》（Cerebral Localisation: A Review and Forecast），“外科医生能无畏地打开病人的腹腔脏器，还有什么理由畏惧打开颅腔呢？”（“Is there any reason why a surgeon should shrink from opening the cranial cavity, who fear lessly exposes the abdominal viscera?”），对神经外科手术领域的发展起到极大地推动作用。后来，同事霍斯利应用费里尔的大脑皮质图在国立医院进行了首次成功的癫痫大脑外科手术（推荐阅读：神外历史上的今天｜“第一位神经外科医生”的诞辰）。

1890年6月，费里尔在皇家内科医学院（the Royal College of Physicians）前发表了系列克罗尼亚演讲（Croonian Lectures），汇报了自己在大脑功能定位实验中的进展程度，后整理成《大脑定位》（Cerebral Localisation），将运动详细地映射到大脑皮质的表面。

19世纪80年代末期，英国举办了一些会议和活动，讨论癫痫患者和其他残障人士的需求。1890年7月，慈善组织会（Charities Organisation Society）任命了包括费里尔和托马斯·巴扎德（Thomas Buzzard）在内的一个委员会，以审议并汇报为照顾及训练弱智、癫痫、畸形及残疾人士而设的公众及慈善拨款。1892年4月，费里尔在伦敦西区格罗夫纳街（Grosvenor Street）74号的托马斯·巴扎德家中主持了一场重要的会议，由此催生了英国最大的癫痫慈善机构——全国癫痫协会（The National Society for Epilepsy，NSE）。费里尔和杰克逊作为协会的创始人，提出了大会的一项重大决议：模仿德国比勒费尔德附近的殖民地，为癫痫病人在英国建立一个工业殖民地，供其工作和生活。于是，有了后来位于伦敦郊区的查尔方特中心（Chalfont Centre）的建立。