Obwohl die Biologie im Allgemeinen als moderne Wissenschaft mit späten Anfängen Anfang bis Mitte des 19. Jahrhunderts betrachtet wird, stützte sie sich auf verschiedene Traditionen, Praktiken und Forschungsbereiche, die in der Antike ihren Anfang nahmen. Die traditionelle Geschichte der Biologie konzentriert sich im Allgemeinen auf zwei Bereiche, die in der modernen biologischen Wissenschaft aufgegangen sind: Medizin und Naturgeschichte. Die Tradition der Medizin geht auf die Arbeit antiker griechischer Ärzte wie Hippokrates von Kos (460 v. Chr.) und auf Persönlichkeiten wie Galen von Pergamon (ca. 130 bis 200) zurück, die viel zum frühen Verständnis von Anatomie und Physiologie beitrugen. Die Tradition der Naturgeschichte geht auf das Werk von Aristoteles (384-322 v. Chr.) zurück. Besonders wichtig sind seine Geschichte der Tiere und andere Werke, in denen er naturalistische Neigungen zeigte. Wichtig ist auch das Werk von Aristoteles‘ Schüler Theophrastus (gest. 287 v. Chr.), der zum Verständnis der Pflanzen beitrug. Aristoteles und Theophrastus trugen nicht nur zur Zoologie bzw. Botanik bei, sondern auch zur vergleichenden Biologie, zur Ökologie und insbesondere zur Taxonomie (der Wissenschaft von der Klassifizierung).
Im Mittelalter blühten sowohl die Naturgeschichte als auch die Medizin auf, obwohl die Arbeit in diesen Bereichen oft unabhängig voneinander stattfand. Die Medizin wurde vor allem von islamischen Gelehrten erforscht, die in der galenischen und aristotelischen Tradition arbeiteten, während die Naturgeschichte sich stark auf die aristotelische Philosophie stützte, vor allem bei der Aufrechterhaltung einer festen Hierarchie des Lebens. Der römische Naturforscher Caius Plinius Secundus (23-79), bekannt als Plinius, hatte ebenfalls einen großen Einfluss auf die Naturgeschichte des Mittelalters, insbesondere durch sein Kompendium Natural History (das sich später als voller Tatsachenirrtümer herausstellte). Der herausragendste Beitrag zur Naturgeschichte des Mittelalters ist zweifellos Albertus Magnus (1206-1280), der für seine hervorragenden botanischen Studien und seine Arbeiten in Physiologie und Zoologie bekannt ist. Weniger bekannt ist der römische Kaiser Friedrich II. (1194-1250), dessen Abhandlung Die Kunst der Falknerei eine der ersten ernsthaften Darstellungen der Ornithologie ist.
Obwohl Tiere traditionell die Aufmerksamkeit vieler Naturforscher auf sich zogen, blieb das Studium der Zoologie im Mittelalter unterentwickelt und stützte sich weitgehend auf illustrierte Tierbücher nach dem Vorbild mittelalterlicher Bestiarien. Die Botanik hingegen erlebte in der Renaissance und der frühen Neuzeit eine Blütezeit. Das Studium der Pflanzen war sowohl für die Medizin als auch für die Naturgeschichte von Bedeutung (und bildete in der Tat einen der wenigen frühen gemeinsamen Schwerpunkte in beiden Bereichen), da Pflanzen als materia medica, als Stoffe mit besonderen medizinischen Eigenschaften, angesehen wurden. Diese medizinischen Eigenschaften lenkten die Aufmerksamkeit der Ärzte auf die Pflanzen. Daher wurde es üblich, Gärten in der Nähe der wichtigsten medizinischen Ausbildungsstätten anzulegen, und Medizinprofessoren waren häufig Experten für Materia Medica und fungierten als Gartenpfleger. Tatsächlich waren bekannte Taxonomen der frühen Neuzeit – wie Andrea Cesalpino (1519-1603) und Carl Linnaeus (1707-1778), die beide aufgrund ihrer Arbeit an der Reform der Taxonomie als Väter der modernen Botanik gelten – gleichzeitig Ärzte und Botaniker. Eine Ausnahme bildete John Ray (1627-1705), ein englischer Taxonom, der sich auch mit Tieren beschäftigte.
Zum wachsenden Interesse und Bedarf an Taxonomie und zu einer beispiellosen Entwicklung der Naturgeschichte trugen auch die mit der Gründung von Kolonien ab dem späten 15. Um dem Bedürfnis nach einer Klassifizierung der von den Entdeckern und Reisenden gesammelten Naturgüter nachzukommen, wurden in den mit den kolonialen Eroberungen verbundenen europäischen Zentren, insbesondere in Madrid, Paris und London, naturhistorische Gärten und Museen eingerichtet. Mit der ersten Reise von Kapitän James Cook, an dessen Expeditionen nicht nur Astronomen und Künstler, sondern auch Botaniker wie Joseph Banks (1743-1820) teilnahmen, begann eine neue Periode der wissenschaftlichen Erforschung. Nach seiner Rückkehr nach London war Banks maßgeblich an der Gründung der Royal Institution of Great Britain sowie am weiteren Ausbau von Kew Garden und der Royal Society beteiligt. Er ermutigte diese Institutionen auch, den Interessen der Naturgeschichte und des expandierenden britischen Empire im späten 18. und frühen 19. Jahrhundert zu dienen.
Während Botanik und Medizin eng miteinander verbunden waren, folgten Anatomie und Physiologie anderen Bahnen. Nach Galen ist Andreas Vesalius (1514-1564) aus Belgien die nächste wichtige Figur in der Geschichte der Anatomie. Im Gegensatz zu vielen Anatomen (wie Galen, der sich auf die Sektion von Tieren wie Schweinen und Berberaffen stützte) bezog Vesalius sein Wissen über den menschlichen Körper aus detaillierten Sektionen an menschlichen Leichen. Für seine Zeit war es ungewöhnlich, dass er der Meinung war, dass die Autorität der Natur Vorrang vor der Autorität antiker Texte haben sollte. Sein siebenbändiger Atlas der menschlichen Anatomie, De Humani Corporis Fabrica (Über das Gewebe des menschlichen Körpers), behandelte die Anatomie des Skeletts und der Muskeln sowie die wichtigsten Organsysteme des Körpers. Der Atlas wurde von einigen der führenden Künstler der Renaissance kunstvoll illustriert und galt als Kunstwerk und anatomische Wissenschaft zugleich. Obwohl Vesalius viele der von Galen und seinen zahlreichen Kommentatoren vertretenen Lehren in Frage stellte, behielt er dennoch einige fehlerhafte Konventionen in Galens Anatomie bei, wie z. B. das Vorhandensein von Poren in der Herzscheidewand und „gehörnten“ Anhängseln in der Gebärmutter (die in der Gebärmutter des Schweins, aber nicht in der des Menschen vorkommen). Auf Vesalius‘ Arbeiten folgten kurz darauf die Arbeiten von Anatomiespezialisten wie Bartolomeo Eustachio (1510-1574) und Gabriele Falloppio (1523-1562). Eustachio spezialisierte sich auf die Anatomie des Ohrs und Falloppio auf die weiblichen Geschlechtsorgane.
Die Entwicklungen in der Anatomie, die das Interesse auf die Teile und Organe des Körpers lenkten, wurden von Fragen zur Organfunktion begleitet. Im sechzehnten Jahrhundert begann die Physiologie, die Wissenschaft, die sich speziell mit der Funktionsweise des lebenden Körpers befasst, zu blühen. Der bedeutendste Tierphysiologe dieser Zeit war William Harvey (1578-1657). Harvey führte zahlreiche Sektionen und Vivisektionen an einer Reihe von Tieren durch, um festzustellen, dass das Blut durch den Körper zirkuliert und nicht, wie die galenische Tradition vorschrieb, de novo hergestellt wird. Harveys Einfluss war nicht nur in der Medizin, sondern auch in der vergleichenden Physiologie und der vergleichenden Biologie zu spüren, da er seine Experimente an verschiedenen Tiersystemen durchführte. Seine Experimente und sein Hauptwerk, An Anatomical Disputation concerning the Movement of the Heart and Blood in Living Creatures (1628), gelten als eine der ersten Demonstrationen der Methode der Hypothesenprüfung und des Experiments. Obwohl Harvey häufig Analogien zwischen der Pumpleistung des Herzens und mechanischen Pumpen zog, widersetzte er sich der Vorstellung, dass der Körper vollständig mechanistischen Prinzipien gehorcht. Im Gegensatz zu seinem Zeitgenossen René Descartes (1596-1650), der mechanistische Theorien über die Funktionsweise von Tierkörpern vertrat, vertrat Harvey die Ansicht, dass eine Art nicht-mechanistischer Spezialkräfte, die später als „vitalistisch“ bezeichnet wurden, für die Lebensprozesse der belebten Materie verantwortlich seien.
Die mechanische Philosophie – der Glaube, dass das Universum und seine Bestandteile mechanischen Prinzipien gehorchen, die durch vernünftige Beobachtung und die neue wissenschaftliche Methode verstanden und bestimmt werden können – hielt so Einzug in die Geschichte der Biologie. Dies führte zu einer lebhaften Diskussion zwischen Mechanismus und Vitalismus, zwischen der Vorstellung, dass das Leben mechanistischen Prinzipien gehorcht, und der Vorstellung, dass das Leben von nichtmechanistischen „vitalen“ Prinzipien abhängt oder irgendwie „emergente Eigenschaften“ erwirbt. Diese Debatte zog sich durch die gesamte Geschichte der Biologie bis in die mittleren Jahrzehnte des 20. Jahrhunderts.
In der Renaissance fand die mechanische Philosophie einige Befürworter in der Anatomie und Physiologie, allen voran Giovanni Borelli (1608-1679), der versuchte, die Muskelbewegungen in tierischen Körpern mit Hilfe von Hebeln und Flaschenzügen zu verstehen. Einige frühe Embryologen, die Anhänger von Descartes waren, vertraten die Ansicht, dass auch die Entwicklung mechanistischen Prinzipien folgte. In der so genannten Präformationstheorie oder „Emboitement“ wurde angenommen, dass die Keime reifer, aber miniaturisierter erwachsener Formen oder Homunculi völlig intakt in reife Organismen eingebettet sind (als wären sie in einer Schachtel innerhalb einer Schachtel eingeschlossen, daher der Name „Emboitement“). Zu den prominenten Vertretern dieser Ansicht gehörten Marcello Malpighi (1628-1694) und Jan Swammerdam (1637-1680). Dies stand im Gegensatz zur Idee der „Epigenese“, der auf Aristoteles und seine Kommentatoren zurückgehenden Überzeugung, dass die Entwicklung von ursprünglich undifferenziertem Material (in der Regel der Eizelle) ausgeht und nach der Befruchtung einem epigenetisch bestimmten Entwicklungsweg folgt. Einer der prominentesten Vertreter dieser Theorie war Pierre Louis Maupertuis (1698-1759), der argumentierte, dass die präformationistischen Theorien nicht erklären konnten, warum die Nachkommen Merkmale beider Elternteile trugen.
Im 17. und 18. Jahrhundert wurden die Theorien der Embryologie und der Entwicklung mit den Theorien der sexuellen Fortpflanzung überlagert, zusammen mit einer Reihe von Theorien über die Ursprünge des Lebens, von denen die meisten die Idee der spontanen Erzeugung unterstützten. In dieser Zeit gab es heftige Debatten über die Spontanentstehung, d. h. die Vorstellung, dass Leben spontan aus unbelebter Materie entstanden sei. Der weit verbreitete Glaube, dass sich lebende Organismen aus dem Schlamm von Bächen, aus Schmutz und Geröll oder aus Umgebungen wie verrottendem Fleisch fortpflanzen, wurde von einer Reihe von Gelehrten seit der Antike unterstützt. William Harveys Forschungen zur Fortpflanzung, die 1651 unter dem Titel Exercitationes de Generatione Animalium (Abhandlungen über die Erzeugung von Tieren) veröffentlicht wurden, ließen Zweifel an der spontanen Erzeugung aufkommen. Harvey glaubte, dass sich alles Leben sexuell fortpflanzt, was er mit seinem berühmten Diktum Ex ovo omnia („Alles kommt aus dem Ei“) auf den Punkt brachte. Im Jahr 1668 führte der italienische Arzt Francesco Redi (1626-1697) ein berühmtes Experiment durch, das die Theorie der Spontanentstehung weiter entkräftete. Indem er verrottendes Fleisch sorgfältig abdeckte, so dass es für Fliegen unzugänglich war, zeigte er, dass Maden nicht spontan entstanden. Der Gedanke, dass ein Großteil des Lebens durch sexuelle Fortpflanzung gekennzeichnet ist, wurde noch verstärkt, als Nehemiah Grew (1641-1711) 1682 Sexualität bei Pflanzen nachwies. Später, im Jahr 1768, lieferte der italienische Physiologe Lazzaro Spallanzani (1729-1799) weitere Beweise, die die spontane Entstehung widerlegten, und im Jahr 1779 beschrieb er die sexuelle Funktion von Eizelle und Sperma. Trotz dieser sich häufenden experimentellen Beweise gegen die Spontanzeugung nährten neue Entwicklungen weiterhin den Glauben an die Spontanzeugung. So entdeckte Charles Bonnet (1720-1793) 1740 die Parthenogenese („Jungfernzeugung“ – eine ungeschlechtliche Form der Fortpflanzung) bei Blattläusen, und 1748 lieferte John Turberville Needham (1731-1781) den Beweis für das, was er für spontan erzeugte Mikroben in einem versiegelten Brühekolben hielt (dies wurde später von Pierre-Louis Moreau de Maupertuis in Frage gestellt). Die Entdeckung des mikrobiellen Lebens untermauerte schließlich die Vorstellung, dass lebende Organismen spontan aus natürlichen Umgebungen wie Teichwasser hervorgehen. Das 17. und 18. Jahrhundert war somit Zeuge einer Reihe von Debatten, die erst viel später im späten 19. Jahrhundert beigelegt wurden, als man zwischen den sehr unterschiedlichen Prozessen der Fortpflanzung, der Entstehung des Lebens und der embryologischen oder entwicklungsmäßigen Entfaltung unterschied. Der Glaube an die Spontanerzeugung wurde schließlich 1860 durch die berühmten „Schwanenhals“-Experimente von Louis Pasteur (1822-1895) beendet.
Andere bemerkenswerte Entwicklungen in den Ursprüngen der Biologie waren das Ergebnis neuer Instrumente und Technologien, von denen das Mikroskop die wichtigste war. Unabhängig voneinander von Robert Hooke (1635-1703) in England und Antony Van Leeuwenhoek (1632-1723) in den Niederlanden entwickelt, offenbarte das Mikroskop ein bis dahin ungesehenes und völlig unvorstellbares Universum des Lebens. Robert Hooke beobachtete in seiner Micrographia (1665) erstmals sich wiederholende Einheiten, die er als „Zellen“ bezeichnete, während Leeuwenhoek vielfältige bewegliche Organismen beobachtete, die er als „animalcules“ bezeichnete. Während das Mikroskop zytologische und mikrobiologische Untersuchungen ermöglichte, erschütterte es auch Aristoteles‘ Vorstellung, dass das Leben entlang einer scala naturae (Naturleiter) organisiert ist, da neue und winzige Tierformen auf der Schöpfungsleiter nicht leicht zu finden waren. Sie förderte auch den Glauben an die spontane Entstehung. Marcello Malphighi (1628-1694), italienischer Medizinprofessor und Leibarzt von Papst Innozenz XII., war ein Pionier in der Verwendung des Mikroskops und seiner Anwendung in der Anatomie. Er studierte auf der Grundlage der früheren Arbeiten von Andrea Cesalpino und William Harvey die Kreislauf- und Atmungssysteme einer Reihe von Tieren (insbesondere Insekten). Er war einer der ersten, der große Organgruppen wie das Gehirn, die Lunge und die Nieren in verschiedenen Organismen untersuchte.