I studien av Duke Health i USA och publicerad i New England Journal of Medicine tittade man på 4 274 spädbarn födda mellan 22 och 24 veckor.
Jämfört med de som föddes ett decennium tidigare var nu en större andel småbarn utan tecken på måttlig eller allvarlig kognitiv och motorisk fördröjning.
Förändringar i vården tillskrivs förbättringen.
Omkring 30 % av barnen i studien som föddes mellan åren 2000 och 2003 överlevde, men andelen ökade till 36 % för spädbarn födda 2008–2011.
Andelen överlevande som inte hade någon neurologisk försämring ökade från 16 % till 20 %.
De bästa resultaten var för barn födda 23 till 24 veckor.
Forskare Prof Noelle Younge kallade resultaten "främja".
"Vi ser tecken på förbättring över tid. Men vi måste hålla ett öga på det totala antalet, eftersom en stor andel av de spädbarn som föds i detta skede fortfarande inte överlever.
"De som överlever utan betydande försämring vid ungefär två års ålder är fortfarande i riskzonen för många andra utmaningar för deras allmänna hälsa."
Fullgångsbarn föds vid 37 till 40 veckor.
Professor Michael Cotten, en av de andra ledande forskarna, sade förändringar i kulturen hos neonatala intensivvårdsenheter låg bakom förbättringen.
"Vi har tagit ett stort fokus på att förebygga infektioner, och det finns mycket mer uppmuntran och stöd för användningen av modersmjölk än det var för 15 år sedan, vilket också har kopplats till bättre resultat."
Det har också skett en minskning av antalet infektioner i neonatala intensivvårdsavdelningar under de senaste två decennierna, vilket Prof Cotten sade var viktigt.
Den ökade användningen av steroider hos mödrar med risk för för tidig födsel för att hjälpa barnet att utvecklas i livmodern tros också ha bidragit till den ökade överlevnaden och färre tecken på utvecklingsfördröjning, tillade han.
Fler barn som föds extremt tidigt överlever utan neurologiska problem, enligt en ny studie.