Ačkoli je biologie obecně považována za moderní vědu s pozdními počátky na počátku až v polovině devatenáctého století, čerpala z různých tradic, postupů a oblastí zkoumání počínaje antikou. Tradiční dějiny biologie se obvykle zaměřují na dvě oblasti, které se spojily v moderní biologickou vědu: medicínu a přírodovědu. Tradice medicíny sahá až k práci starověkých řeckých lékařů, jako byl Hippokrates z Kósu (nar. 460 př. n. l.), a k osobnostem, jako byl Galén z Pergamu (asi 130 – 200), kteří významně přispěli k ranému poznání anatomie a fyziologie. Tradice přírodopisu sahá až k dílu Aristotela (384-322 př. n. l.). Důležité jsou zejména jeho Dějiny zvířat a další díla, v nichž projevil přírodovědné sklony. Důležité je také dílo Aristotelova žáka Theofrasta (zemř. 287 př. n. l.), který přispěl k poznání rostlin. Aristoteles a Theofrastos přispěli nejen k zoologii, respektive botanice, ale také ke srovnávací biologii, ekologii a zejména taxonomii (vědě o klasifikaci).
Ve středověku vzkvétala jak přírodověda, tak medicína, i když práce v těchto oblastech často probíhaly nezávisle na sobě. Medicínu studovali zejména islámští učenci pracující v galenické a aristotelské tradici, zatímco přírodopis do značné míry čerpal z aristotelské filozofie, zejména při prosazování pevné hierarchie života. Římský přírodovědec Caius Plinius Secundus (23-79), známý jako Plinius, měl také velký vliv na přírodopis ve středověku, zejména prostřednictvím svého kompendia Natural History (později se ukázalo, že je plné faktických chyb). Nejvýznamnějším tvůrcem přírodopisu ve středověku je bezpochyby Albertus Magnus (1206-1280), uznávaný pro své vynikající botanické studie a práce z oblasti fyziologie a zoologie. Méně známou osobností je císař Svaté říše římské Fridrich II (1194-1250), jehož pojednání Umění sokolnictví je jedním z prvních seriózních popisů ornitologie.
Ačkoli zvířata tradičně přitahovala pozornost mnoha přírodovědců, studium zoologie zůstávalo ve středověku málo rozvinuté a spoléhalo se především na ilustrované knihy zvířat podle vzoru středověkých bestiářů. Naproti tomu botanika v období renesance a raného novověku vzkvétala. Studium rostlin bylo důležité jak v medicíně, tak v přírodovědě (a ve skutečnosti představovalo jeden z mála raných bodů společného zájmu v obou oblastech), protože rostliny byly považovány za materia medica, látky s význačnými léčivými vlastnostmi. Tyto léčivé vlastnosti přitahovaly pozornost lékařů k rostlinám. Proto se stalo běžnou praxí vysazovat zahrady vedle hlavních center lékařské výuky a profesoři medicíny byli velmi často odborníky na materia medica a působili jako kurátoři zahrad. Významní taxonomové raného novověku – například Andrea Cesalpino (1519-1603) a Carl Linnaeus (1707-1778), kteří jsou díky své práci na reformě taxonomie považováni za otce moderní botaniky – byli současně lékaři i botaniky. Výjimkou byl John Ray (1627-1705), anglický taxonom, který se zabýval také zvířaty.
K rostoucímu zájmu o taxonomii a její potřebě a k nebývalému rozvoji přírodopisu vedly také objevitelské cesty spojené se zakládáním kolonií od konce 15. století. Z velké části kvůli poptávce po klasifikaci sbírek vytvořených objeviteli a cestovateli za účelem využití těchto přírodních komodit vznikaly v evropských centrech spojených s koloniálními výboji, zejména v Madridu, Paříži a Londýně, přírodovědné zahrady a muzea. Nové období vědeckého bádání nastalo s první plavbou kapitána Jamese Cooka, jehož výprav se účastnili nejen astronomové a umělci, ale také botanici, například Joseph Banks (1743-1820). Po návratu do Londýna se Banks významně podílel na založení Královského institutu Velké Británie a na dalším rozšiřování Kew Garden a Královské společnosti. Podporoval také tyto instituce, aby sloužily zájmům přírodovědců i rozšiřujícího se britského impéria na konci osmnáctého a na počátku devatenáctého století.
Zatímco botanika a medicína byly úzce propojeny, anatomie a fyziologie se ubíraly jinými cestami. Po Galénovi je další významnou osobností v dějinách anatomie Belgičan Andreas Vesalius (1514-1564). Na rozdíl od mnoha anatomů (jako byl Galén, který vycházel z pitev zvířat, např. prasat a barbarských opic) čerpal Vesalius své znalosti o lidském těle z podrobných pitev na lidských mrtvolách. Na svou dobu byl neobvyklý tím, že věřil, že autorita přírody by měla být nadřazena autoritě starověkých textů. Jeho sedmisvazkový atlas anatomie člověka De Humani Corporis Fabrica (O struktuře lidského těla) se zabýval anatomií kostry a svalů i hlavními orgánovými soustavami těla. Atlas byl zručně ilustrován některými z předních renesančních umělců a byl považován za umělecké i anatomické dílo. Ačkoli Vesalius zpochybňoval mnoho principů, které zastával Galén a jeho četní komentátoři, přesto zachoval některé chybné konvence přítomné v Galénově anatomii, jako například existenci pórů v srdeční přepážce a „rohovité“ přídavky v děloze (přítomné v prasečí děloze, ale ne v lidské děloze). Na Vesaliovo dílo brzy navázali anatomové jako Bartolomeo Eustachio (1510-1574) a Gabriele Falloppio (1523-1562). Eustachio se specializoval na anatomii ucha a Falloppio na ženské pohlavní ústrojí.
Rozvoj anatomie, který obrátil zájem k částem a orgánům těla, doprovázely otázky zabývající se funkcí orgánů. V šestnáctém století začala vzkvétat fyziologie, věda, která se zabývá právě fungováním živých těl. Hlavním fyziologem živočichů tohoto období byl William Harvey (1578-1657). Harvey provedl řadu pitev a vivisekcí na různých zvířatech, aby zjistil, že krev v těle cirkuluje a nevyrábí se de novo, jak to předepisovala galénská tradice. Harveyho vliv se projevil nejen v medicíně, ale také ve srovnávací fyziologii a srovnávací biologii, protože své pokusy prováděl na různých živočišných systémech. Jeho pokusy a hlavní pojednání Anatomical Disputation concerning the Movement of Heart and Blood in Living Creatures (1628) jsou považovány za jednu z prvních ukázek metody ověřování hypotéz a experimentů. Harvey sice často používal analogie mezi pumpováním srdce a mechanickými čerpadly, ale bránil se myšlence, že by se tělo zcela řídilo mechanistickými principy. Na rozdíl od svého současníka Reného Descarta (1596-1650), který zastával mechanistické teorie fungování živočišných těl, Harvey tvrdil, že za životní procesy živé hmoty jsou zodpovědné jakési nemechanické zvláštní síly, později nazvané „vitalistické“.
Mechanická filozofie – přesvědčení, že vesmír a jeho složky se řídí mechanickými principy, které lze pochopit a určit pomocí rozumového pozorování a nové vědecké metody – se tak dostala do dějin biologie. To vyvolalo živou diskusi mezi mechanismem a vitalismem, mezi představou, že život se řídí mechanistickými principy, a představou, že život závisí na nemechanických „vitálních“ principech nebo nějakým způsobem získává „emergentní vlastnosti“. Tato debata se opakovaně vedla po většinu následujících dějin biologie až do poloviny dvacátého století.
V průběhu renesance získala mechanická filozofie některé zastánce v anatomii a fyziologii, z nichž nejvýznamnější osobností byl Giovanni Borelli (1608-1679), který se snažil pochopit činnost svalů v tělech zvířat pomocí pák a kladek. Někteří raní embryologové jako Descartovi následovníci zastávali názor, že i vývoj se řídí mechanistickými principy. V rámci tzv. preformační teorie nebo „emboitementu“ se předpokládalo, že zárodky zralých, ale miniaturizovaných dospělých forem nebo homunkulů jsou zcela neporušené vloženy do zralých organismů (jako by byly uzavřeny v krabici uvnitř krabice, odtud název „emboitement“). K významným zastáncům tohoto názoru patřili Marcello Malpighi (1628-1694) a Jan Swammerdam (1637-1680). To stálo v protikladu k myšlence „epigeneze“, přesvědčení pocházejícímu od Aristotela a jeho komentátorů, že vývoj začíná z původně nediferencovaného materiálu (obvykle vajíčka) a po oplození následuje epigeneticky určená cesta vývoje. Jedním z nejvýznamnějších zastánců této teorie byl Pierre Louis Maupertuis (1698-1759), který tvrdil, že preformační teorie nemohou vysvětlit, proč potomci nesou znaky obou rodičů.
V sedmnáctém a osmnáctém století se teorie embryologie a vývoje překrývaly s teoriemi pohlavního rozmnožování spolu s řadou teorií o vzniku života, z nichž většina zastávala myšlenku spontánního vzniku. V tomto období se rozhořely debaty o spontánní generaci, myšlence, že život vznikl samovolně z neživé hmoty. Oblíbený názor, že živé organismy se rozmnožují z bahna v potocích, špíny a detritu nebo prostředí, jako je hnijící maso, podporovala řada učenců již od starověku. William Harvey svým výzkumem rozmnožování, publikovaným v roce 1651 pod názvem Exercitationes de Generatione Animalium (Eseje o generaci živočichů), začal spontánní vznik zpochybňovat. Harvey věřil, že veškerý život se rozmnožuje pohlavním způsobem, což vyjádřil svým slavným výrokem Ex ovo omnia („Vše pochází z vejce“). V roce 1668 provedl italský lékař Francesco Redi (1626-1697) slavný experiment, který dále zpochybnil teorii spontánní generace. Pečlivým zakrytím hnijícího masa tak, aby k němu neměly přístup mouchy, prokázal, že červi samovolně nevznikají. Myšlenka, že pohlavní rozmnožování charakterizuje většinu života, byla dále posílena, když Nehemiah Grew (1641-1711) v roce 1682 prokázal pohlavnost u rostlin. Později, v roce 1768, italský fyziolog Lazzaro Spallanzani (1729-1799) nabídl další důkazy vyvracející spontánní vznik a v roce 1779 podal popis pohlavní funkce vajíčka a spermie. Navzdory těmto hromadícím se experimentálním důkazům proti spontánní generaci nový vývoj nadále podporoval víru ve spontánní generaci. V roce 1740 například Charles Bonnet (1720-1793) objevil partenogenezi („panenské zrození“ – asexuální formu rozmnožování) u mšic a v roce 1748 John Turberville Needham (1731-1781) nabídl důkazy o tom, co považoval za spontánně vzniklé mikroby v uzavřené baňce s vývarem (to později zpochybnil Pierre-Louis Moreau de Maupertuis). Objev mikrobiálního života nakonec podpořil myšlenku, že živé organismy spontánně vznikají v přírodním prostředí, například v rybniční vodě. Sedmnácté a osmnácté století tak bylo svědkem řady diskusí, které byly vyřešeny až mnohem později na konci devatenáctého století, kdy se začaly rozlišovat velmi odlišné procesy spojené s rozmnožováním, vznikem života a embryologickým či vývojovým vývojem. Víru ve spontánní vznik definitivně ukončily slavné pokusy Louise Pasteura (1822-1895) s „baňkou s labutí šíjí“ v roce 1860.
Další významný vývoj v oblasti počátků biologie přinesly nové přístroje a technologie, z nichž nejdůležitější byl mikroskop. Mikroskop, který nezávisle na sobě vyvinuli Robert Hooke (1635-1703) v Anglii a Antony Van Leeuwenhoek (1632-1723) v Nizozemsku, odhalil dosud neviděný a zcela nepředstavitelný vesmír života. Robert Hooke poprvé pozoroval opakující se jednotky, které ve svém díle Micrographia (1665) popsal jako „buňky“, zatímco Leeuwenhoek pozoroval rozmanité pohyblivé organismy, které popsal jako „živočichy“. Mikroskop sice otevřel možnosti cytologického a mikrobiologického zkoumání, ale zároveň rozbil Aristotelovu představu, že život je uspořádán podél scala naturae (přírodního žebříku), protože nové a drobné živočišné formy nebylo snadné na žebříku stvoření umístit. To také podpořilo víru ve spontánní vznik. Průkopníkem v používání mikroskopu a jeho využití v anatomii byl Marcello Malphighi (1628-1694), italský profesor medicíny a osobní lékař papeže Inocence XII, který na základě předchozí práce Andrey Cesalpina a Williama Harveyho studoval oběhový a dýchací systém řady živočichů (zejména hmyzu). Jako jeden z prvních studoval hlavní skupiny orgánů, jako jsou mozek, plíce a ledviny, u různých organismů.