Selvom biologi generelt betragtes som en moderne videnskab med en sen oprindelse fra begyndelsen til midten af det 19. århundrede, bygger den på forskellige traditioner, praksisser og undersøgelsesområder, der begyndte i oldtiden. Traditionelle historier om biologi fokuserer generelt på to områder, der er smeltet sammen til den moderne biologiske videnskab: medicin og naturhistorie. Traditionen inden for medicin går tilbage til arbejdet af gamle græske læger som Hippokrates fra Kos (f. 460 f.Kr.) og til personer som Galen fra Pergamon (ca. 130-200), der bidrog meget til den tidlige forståelse af anatomi og fysiologi. Den naturhistoriske tradition går tilbage til Aristoteles’ (384-322 f.Kr.) arbejde. Særligt vigtige er hans History of Animals og andre værker, hvor han viste naturalistiske tilbøjeligheder. Vigtigt er også Aristoteles’ elev Theophrastus’ arbejde (død 287 f.Kr.), som bidrog til forståelsen af planter. Aristoteles og Theophrastus bidrog ikke kun til henholdsvis zoologi og botanik, men også til sammenlignende biologi, økologi og især taxonomi (videnskaben om klassifikation).
Både naturhistorie og medicin blomstrede i middelalderen, selv om arbejdet på disse områder ofte foregik uafhængigt af hinanden. Medicin blev især studeret godt af islamiske lærde, der arbejdede i den galeniske og aristoteliske tradition, mens naturhistorie i høj grad trak på aristotelisk filosofi, især i opretholdelsen af et fast hierarki af livet. Den romerske naturforsker Caius Plinius Secundus (23-79), kendt som Plinius, havde også en stor indflydelse på naturhistorien i middelalderen, især gennem sit kompendium Natural History (som senere viste sig at være fyldt med faktuelle fejl). Den mest fremtrædende bidragyder til naturhistorien i middelalderen er uden tvivl Albertus Magnus (1206-1280), der er anerkendt for sine fremragende botaniske studier og for sit arbejde inden for fysiologi og zoologi. En mindre kendt person er den hellige romerske kejser Frederik II (1194-1250), hvis afhandling The Art of Falconry er en af de første seriøse redegørelser for ornitologi.
Og selv om dyr traditionelt tiltrak sig mange naturforskeres opmærksomhed, var studiet af zoologi underudviklet i middelalderen, idet man i høj grad var afhængig af illustrerede bøger om dyr efter forbillede af middelalderens bestiarier. Botanikken blomstrede på den anden side i renæssancen og den tidlige moderne periode. Studiet af planter var vigtigt inden for medicin såvel som naturhistorie (og udgjorde faktisk et af de få tidlige fælles fokuspunkter inden for de to områder), fordi planter blev betragtet som materia medica, dvs. stoffer med bemærkelsesværdige medicinske egenskaber. Disse medicinske egenskaber tiltrak den medicinske opmærksomhed på planterne. Derfor blev det almindelig praksis at anlægge haver ved siden af de primære centre for medicinsk undervisning, og professorer i medicin var meget ofte eksperter i materia medica og fungerede som haveinspektører. Faktisk var kendte taxonomer fra den tidlige moderne periode – personer som Andrea Cesalpino (1519-1603) og Carl Linnaeus (1707-1778), der begge betragtes som fædre til den moderne botanik på grund af deres arbejde med at reformere taxonomien – på samme tid læger og botanikere. En undtagelse var John Ray (1627-1705), en engelsk taksonom, der også arbejdede med dyr.
Den voksende interesse for og det voksende behov for taksonomi og en hidtil uset udvikling af naturhistorien var også de opdagelsesrejser, der var forbundet med etableringen af kolonier fra slutningen af det 15. århundrede. I vid udstrækning for at imødekomme behovet for at klassificere de indsamlinger, som opdagelsesrejsende og rejsende lavede med henblik på at udnytte disse naturlige råvarer, blev der oprettet haver og naturhistoriske museer i europæiske centre, der var forbundet med koloniale erobringer, især Madrid, Paris og London. En ny periode med videnskabelig udforskning begyndte med kaptajn James Cooks første rejse, som ikke kun omfattede astronomer og kunstnere, men også botanikere som f.eks. Joseph Banks (1743-1820). Da han vendte tilbage til London, var Banks med til at hjælpe med at grundlægge Royal Institution of Great Britain og med at fortsætte med at udvide Kew Garden og Royal Society. Han tilskyndede også disse institutioner til at tjene både naturhistoriens og det ekspanderende britiske imperiums interesser i slutningen af det attende og begyndelsen af det nittende århundrede.
Mens botanik og medicin var tæt forbundet, fulgte anatomi og fysiologi andre baner. Efter Galen er den næste store skikkelse i anatomiens historie Andreas Vesalius (1514-1564) fra Belgien. I modsætning til mange anatomikere (som f.eks. Galen, der var afhængig af dissektioner af dyr som svin og barbariske aber), hentede Vesalius sin viden om menneskekroppen fra detaljerede dissektioner på menneskekadavere. Han var usædvanlig for sin tid, idet han mente, at naturens autoritet skulle have forrang for autoriteten i gamle tekster. Hans syvbindsatlas over menneskets anatomi, De Humani Corporis Fabrica (Om menneskekroppens struktur), dækkede skelet- og muskelanatomi samt de vigtigste organsystemer i kroppen. Atlaset, der var dygtigt illustreret af nogle af de førende renæssancekunstnere, blev betragtet som et kunstværk såvel som et anatomisk videnskabeligt værk. Selv om Vesalius anfægtede mange af de grundsætninger, som Galen og hans talrige kommentatorer havde, beholdt han ikke desto mindre nogle fejlagtige konventioner i Galens anatomi, f.eks. eksistensen af porer i hjerteskillevæggen og “hornede” vedhæng i livmoderen (som findes i grisens livmoder, men ikke i den menneskelige livmoder). Vesalius’ arbejde blev kort efterfulgt af arbejde udført af anatomiske specialister som Bartolomeo Eustachio (1510-1574) og Gabriele Falloppio (1523-1562). Eustachio specialiserede sig i ørets anatomi, og Falloppio specialiserede sig i det kvindelige forplantningssystem.
Udviklingen i anatomien, der vendte interessen mod kroppens dele og organer, blev ledsaget af spørgsmål, der handlede om organernes funktion. I det sekstende århundrede begyndte fysiologien, den videnskab, der specifikt beskæftiger sig med levende legemers funktion, at blomstre. Den vigtigste dyrefysiolog i denne periode var William Harvey (1578-1657). Harvey foretog talrige dissektioner og vivisektioner på en række dyr for at fastslå, at blodet cirkulerer gennem kroppen og ikke fremstilles de novo, som den galeniske tradition havde foreskrevet. Harveys indflydelse kunne ikke kun mærkes inden for medicin, men også inden for komparativ fysiologi og komparativ biologi, da han udførte sine eksperimenter på forskellige dyresystemer. Hans eksperimenter og store afhandling, An An Anatomical Disputation concerning the Movement of the Heart and Blood in Living Creatures (1628), betragtes som en af de første demonstrationer af metoden til hypotesetestning og eksperimentering. Selv om Harvey ofte drog analogier mellem hjertets pumpevirkning og mekaniske pumper, modstod han ideen om, at kroppen helt adlød mekanistiske principper. I modsætning til sin samtidige René Descartes (1596-1650), der havde mekanistiske teorier om dyrelegemernes funktion, fastholdt Harvey, at en slags ikke-mekanistiske særlige kræfter, senere kaldet “vitalistiske”, var ansvarlige for livsprocesserne i animeret stof.
Den mekaniske filosofi – troen på, at universet og dets bestanddele adlød mekaniske principper, der kunne forstås og bestemmes gennem fornuftig observation og den nye videnskabelige metode – fandt således vej ind i biologiens historie. Dette affødte en livlig diskussion mellem mekanisme og vitalisme, mellem ideen om, at livet adlød mekanistiske principper, og ideen om, at livet var afhængig af ikke-mekanistiske “vitale” principper eller på en eller anden måde erhvervede “emergente egenskaber”. Debatten gik frem og tilbage i store dele af biologiens senere historie, indtil midten af det 20. århundredes årtier.
I renæssancen fik den mekaniske filosofi nogle fortalere inden for anatomi og fysiologi, og den mest bemærkelsesværdige figur var Giovanni Borelli (1608-1679), som søgte at forstå muskelvirksomheden i dyrs kroppe i form af løftestænger og remskiver. Nogle af de tidlige embryologer, som var tilhængere af Descartes, var af den opfattelse, at udviklingen også fulgte mekanistiske principper. I det, der blev kendt som præformationsteori eller “emboitement”, mente man, at frøene til modne, men miniatureformede modne voksne former eller homunculi var indlejret helt intakte i modne organismer (som om de var indkapslet i en æske i en æske, deraf navnet “emboitement”). Fremtrædende fortalere for dette synspunkt var bl.a. Marcello Malpighi (1628-1694) og Jan Swammerdam (1637-1680). Dette stod i modsætning til ideen om “epigenese”, den opfattelse, der går tilbage til Aristoteles og hans kommentatorer, at udviklingen begyndte fra oprindeligt udifferentieret materiale (normalt ægget) og derefter fulgte en epigenetisk bestemt udviklingsvej efter befrugtningen. En af de mere fremtrædende fortalere for denne teori var Pierre Louis Maupertuis (1698-1759), som hævdede, at præformationistiske teorier ikke kunne forklare, hvorfor afkommet bar karakteristika fra begge forældre.
I det 17. og 18. århundrede blev teorier om embryologi og udvikling overlejret med teorier om seksuel reproduktion, sammen med en række teorier om livets oprindelse, hvoraf de fleste fastholdt ideen om spontan generation. I denne periode rasede debatterne om spontan generation, dvs. ideen om, at liv spontant blev skabt ud af livløs materie. Den populære opfattelse, at levende organismer formerede sig fra mudder i vandløb, snavs og affald eller miljøer som f.eks. rådnende kød, blev støttet af en række forskere fra antikken og fremefter. William Harveys forskning i reproduktion, der blev offentliggjort i 1651 som Exercitationes de Generatione Animalium (Essays on the generatione of animals), begyndte at så tvivl om den spontane generation. Harvey mente, at alt liv reproducerede sig seksuelt, et synspunkt, som han på en markant måde udtrykte med sit berømte diktum Ex ovo omnia (“Alt kommer fra ægget”). I 1668 udførte den italienske læge Francesco Redi (1626-1697) et berømt eksperiment, som yderligere undergravede teorien om spontan generation. Ved omhyggeligt at dække rådnende kød til, så det ikke var tilgængeligt for fluer, viste han, at maddiker ikke opstod spontant. Ideen om, at seksuel reproduktion kendetegnede en stor del af livet, blev yderligere styrket, da Nehemiah Grew (1641-1711) påviste seksualitet hos planter i 1682. Senere, i 1768, fremlagde den italienske fysiolog Lazzaro Spallanzani (1729-1799) yderligere beviser, der modbeviste den spontane generation, og i 1779 redegjorde han for æg- og sædcellens seksuelle funktion. På trods af denne akkumulering af eksperimentelle beviser mod spontan generation fortsatte nye udviklinger med at give næring til troen på spontan generation. I 1740 opdagede Charles Bonnet (1720-1793) f.eks. parthenogenese (“jomfrufødsel” – en aseksuel form for reproduktion) hos bladlus, og i 1748 fremlagde John Turberville Needham (1731-1781) beviser for, hvad han troede var spontant opståede mikrober i en forseglet kolbe med bouillon (dette blev senere anfægtet af Pierre-Louis Moreau de Maupertuis ). Endelig understøttede opdagelsen af mikrobielt liv ideen om, at levende organismer spontant opstod fra naturlige miljøer som f.eks. vand fra damme. Det 17. og 18. århundrede var således vidne til en række debatter, som først blev løst langt senere i slutningen af det 19. århundrede, da der blev skelnet mellem de meget forskellige processer, der er forbundet med reproduktion, livets oprindelse og embryologisk eller udviklingsmæssig udfoldelse. Troen på spontan generation blev endeligt aflivet i 1860 med Louis Pasteurs (1822-1895) berømte eksperimenter med “svanehalsflasken”.
Andre bemærkelsesværdige udviklinger i biologiens oprindelse kom som følge af nye instrumenter og teknologier, hvoraf det vigtigste var mikroskopet. Mikroskopet, der blev udviklet uafhængigt af hinanden af Robert Hooke (1635-1703) i England og Antony Van Leeuwenhoek (1632-1723) i Nederlandene, afslørede et hidtil uset og helt ufatteligt univers af liv. Robert Hooke observerede først gentagende enheder, som han beskrev som “celler” i sin Micrographia (1665), mens Leeuwenhoek observerede varierede bevægelige organismer, som han beskrev som “animalcules”. Mikroskopet åbnede op for cytologiske og mikrobiologiske undersøgelser, men det ødelagde også Aristoteles’ forestilling om, at livet er organiseret langs en scala naturae (naturens stige), da nye og meget små dyreformer ikke var lette at lokalisere på skabelsens stige. Den gav også næring til troen på spontan frembringelse. Marcello Malphighi (1628-1694), italiensk professor i medicin og pave Innocentius XII’s personlige læge, var en pioner inden for brugen af mikroskopet og dets anvendelse i anatomien. Med udgangspunkt i Andrea Cesalpinos og William Harveys tidligere arbejde undersøgte han kredsløbs- og åndedrætssystemet hos en række dyr (især insekter). Han var en af de første til at studere større organgrupper som hjerne, lunger og nyrer i forskellige organismer.