Aunque la biología se considera generalmente como una ciencia moderna con orígenes tardíos a principios y mediados del siglo XIX, se nutrió de diversas tradiciones, prácticas y áreas de investigación desde la antigüedad. Las historias tradicionales de la biología suelen centrarse en dos áreas que se fusionaron en la ciencia biológica moderna: la medicina y la historia natural. La tradición de la medicina se remonta a la labor de antiguos médicos griegos como Hipócrates de Kos (460 a.C.) y a figuras como Galeno de Pérgamo (c. 130-200), que contribuyeron en gran medida a los primeros conocimientos de anatomía y fisiología. La tradición de la historia natural se remonta a la obra de Aristóteles (384-322 a.C.). Son especialmente importantes su Historia de los animales y otras obras en las que mostró inclinaciones naturalistas. También es importante la obra de Teofrasto, alumno de Aristóteles (m. 287 a.C.), que contribuyó al conocimiento de las plantas. Aristóteles y Teofrasto contribuyeron no sólo a la zoología y la botánica, respectivamente, sino también a la biología comparada, la ecología y, sobre todo, a la taxonomía (la ciencia de la clasificación).
Tanto la historia natural como la medicina florecieron en la Edad Media, aunque el trabajo en estas áreas a menudo se desarrolló de forma independiente. La medicina fue especialmente estudiada por los eruditos islámicos que trabajaban en las tradiciones galénica y aristotélica, mientras que la historia natural se basó en gran medida en la filosofía aristotélica, especialmente en la defensa de una jerarquía fija de la vida. El naturalista romano Cayo Plinio Segundo (23-79), conocido como Plinio, también ejerció una gran influencia en la historia natural durante la Edad Media, sobre todo a través de su compendio Historia Natural (que posteriormente se demostró que estaba plagado de errores). Sin duda, el más destacado contribuyente a la historia natural en la Edad Media es Albertus Magnus (1206-1280), reconocido por sus magníficos estudios botánicos y por sus trabajos de fisiología y zoología. Una figura menos conocida es el emperador del Sacro Imperio Romano Germánico Federico II (1194-1250), cuyo tratado El arte de la cetrería es uno de los primeros relatos serios de ornitología.
Aunque los animales atraían tradicionalmente la atención de muchos naturalistas, el estudio de la zoología permaneció subdesarrollado durante la Edad Media, dependiendo en gran medida de los libros ilustrados de animales modelados en los bestiarios medievales. La botánica, en cambio, floreció en el Renacimiento y a principios de la Edad Moderna. El estudio de las plantas era importante tanto para la medicina como para la historia natural (y de hecho constituía uno de los primeros puntos de interés común en ambas áreas), porque las plantas se consideraban materia medica, sustancias con notables propiedades medicinales. Estas propiedades medicinales atrajeron la atención de los médicos hacia las plantas. De ahí que se convirtiera en una práctica habitual plantar jardines junto a los principales centros de enseñanza médica, y los profesores de medicina eran muy a menudo expertos en materia medica y actuaban como conservadores de jardines. De hecho, destacados taxonomistas de la primera época moderna -personas como Andrea Cesalpino (1519-1603) y Carl Linnaeus (1707-1778), ambos considerados padres de la botánica moderna por su labor de reforma de la taxonomía- eran simultáneamente médicos y botánicos. Una excepción fue John Ray (1627-1705), un taxónomo inglés que también trabajó con animales.
También condujeron al creciente interés y necesidad de la taxonomía y a un desarrollo sin precedentes de la historia natural los viajes de exploración asociados al establecimiento de colonias desde finales del siglo XV. En gran medida para satisfacer la demanda de clasificar las colecciones realizadas por los exploradores y viajeros para explotar estos bienes naturales, se crearon jardines y museos de historia natural en los centros europeos asociados a las conquistas coloniales, especialmente en Madrid, París y Londres. Con el primer viaje del capitán James Cook, cuyas expediciones incluían no sólo a astrónomos y artistas, sino también a botánicos, como Joseph Banks (1743-1820), se inició un nuevo periodo de exploración científica. A su regreso a Londres, Banks contribuyó a fundar la Royal Institution de Gran Bretaña, así como a seguir ampliando el Jardín de Kew y la Royal Society. También impulsó estas instituciones para que sirvieran a los intereses tanto de la historia natural como de la expansión del Imperio Británico a finales del siglo XVIII y principios del XIX.
Mientras que la botánica y la medicina estaban estrechamente vinculadas, la anatomía y la fisiología siguieron otras trayectorias. Después de Galeno, la siguiente figura importante en la historia de la anatomía es el belga Andreas Vesalius (1514-1564). A diferencia de muchos anatomistas (como Galeno, que se basaba en disecciones de animales como cerdos y monos de Berbería), Vesalio obtuvo sus conocimientos sobre el cuerpo humano a partir de disecciones detalladas de cadáveres humanos. No era habitual en su época que creyera que la autoridad de la naturaleza debía prevalecer sobre la de los textos antiguos. Su atlas de anatomía humana en siete volúmenes, De Humani Corporis Fabrica (Sobre la estructura del cuerpo humano), abarca la anatomía esquelética y muscular, así como los principales sistemas de órganos del cuerpo. El atlas, hábilmente ilustrado por algunos de los principales artistas del Renacimiento, se consideraba una obra de arte además de una ciencia anatómica. Aunque Vesalio puso en tela de juicio muchos de los postulados de Galeno y sus numerosos comentaristas, mantuvo algunas convenciones erróneas presentes en la anatomía de Galeno, como la existencia de poros en el tabique del corazón y de apéndices «cornudos» en el útero (presentes en el útero porcino pero no en el humano). Los trabajos de Vesalio fueron seguidos poco después por los de especialistas en anatomía como Bartolomeo Eustachio (1510-1574) y Gabriele Falloppio (1523-1562). Eustachio se especializó en la anatomía del oído, y Falloppio en el aparato reproductor femenino.
Los desarrollos de la anatomía que volvieron el interés a las partes y órganos del cuerpo fueron acompañados por cuestiones relacionadas con la función de los órganos. En el siglo XVI comenzó a florecer la fisiología, la ciencia que se ocupa específicamente del funcionamiento de los cuerpos vivos. El principal fisiólogo animal de este periodo fue William Harvey (1578-1657). Harvey realizó numerosas disecciones y vivisecciones en diversos animales para determinar que la sangre circula por el cuerpo y no se fabrica de novo, como dictaba la tradición galénica. La influencia de Harvey se dejó sentir no sólo en la medicina, sino también en la fisiología y la biología comparadas, ya que realizó sus experimentos en diversos sistemas animales. Sus experimentos y su principal tratado, Anatomical Disputation concerning the Movement of the Heart and Blood in Living Creatures (1628), se consideran una de las primeras demostraciones del método de comprobación de hipótesis y experimentación. Aunque Harvey estableció con frecuencia analogías entre la acción de bombeo del corazón y las bombas mecánicas, se resistió a la idea de que el cuerpo obedeciera enteramente a principios mecanicistas. A diferencia de su contemporáneo René Descartes (1596-1650), que sostenía teorías mecanicistas sobre el funcionamiento de los cuerpos de los animales, Harvey mantenía que algún tipo de fuerzas especiales no mecanicistas, más tarde denominadas «vitalistas», eran las responsables de los procesos vitales de la materia animada.
La filosofía mecanicista -la creencia de que el universo y sus partes constituyentes obedecían a principios mecánicos que podían comprenderse y determinarse mediante la observación razonada y el nuevo método científico- se abrió paso en la historia de la biología. Esto engendró un animado debate entre el mecanicismo y el vitalismo, entre la idea de que la vida obedecía a principios mecanicistas y la idea de que la vida dependía de principios «vitales» no mecánicos o adquiría de algún modo «propiedades emergentes». El debate fue intermitente durante gran parte de la historia posterior de la biología, hasta las décadas centrales del siglo XX.
Durante el Renacimiento, la filosofía mecanicista obtuvo algunos defensores en anatomía y fisiología, siendo la figura más notable Giovanni Borelli (1608-1679), que trató de entender la acción muscular en los cuerpos de los animales en términos de palancas y poleas. Algunos de los primeros embriólogos, como seguidores de Descartes, defendían la creencia de que el desarrollo también seguía principios mecanicistas. En lo que llegó a conocerse como teoría de la preformación o «emboitement», se pensaba que las semillas de las formas adultas maduras pero miniaturizadas u homúnculos estaban incrustadas completamente intactas en los organismos maduros (como si estuvieran encerradas en una caja dentro de otra caja, de ahí el nombre «emboitement»). Entre los principales defensores de este punto de vista se encuentran Marcello Malpighi (1628-1694) y Jan Swammerdam (1637-1680). Esto contrastaba con la idea de la «epigénesis», la creencia que se remonta a Aristóteles y sus comentaristas de que el desarrollo comenzaba a partir de un material inicialmente indiferenciado (normalmente el óvulo) y luego seguía un camino de desarrollo determinado epigenéticamente tras la fecundación. Uno de los defensores más destacados de esta teoría fue Pierre Louis Maupertuis (1698-1759), quien sostenía que las teorías preformacionistas no podían explicar por qué la descendencia presentaba características de ambos progenitores.
En los siglos XVII y XVIII, las teorías de la embriología y el desarrollo se superpusieron a las teorías de la reproducción sexual, junto con una serie de teorías sobre los orígenes de la vida, la mayoría de las cuales sostenían la idea de la generación espontánea. Durante este periodo se debatió sobre la generación espontánea, la idea de que la vida se creó espontáneamente a partir de la materia inanimada. La creencia popular de que los organismos vivos se propagaban a partir del barro de los arroyos, la suciedad y los detritus, o de entornos como la carne en descomposición, fue apoyada por varios estudiosos desde la antigüedad. Las investigaciones de William Harvey sobre la reproducción, publicadas en 1651 como Exercitationes de Generatione Animalium (Ensayos sobre la generación de los animales), empezaron a poner en duda la generación espontánea. Harvey creía que toda la vida se reproducía por vía sexual, opinión que enunció de forma concisa con su famosa sentencia Ex ovo omnia («Todo sale del huevo»). En 1668, el médico italiano Francesco Redi (1626-1697) llevó a cabo un famoso experimento que desvirtuó aún más la teoría de la generación espontánea. Al cubrir cuidadosamente la carne en descomposición para que no fuera accesible a las moscas, demostró que los gusanos no surgían espontáneamente. La idea de que la reproducción sexual caracterizaba gran parte de la vida se vio reforzada cuando Nehemiah Grew (1641-1711) demostró la sexualidad en las plantas en 1682. Más tarde, en 1768, el fisiólogo italiano Lazzaro Spallanzani (1729-1799) ofreció pruebas adicionales que refutaban la generación espontánea, y en 1779 dio cuenta de la función sexual del óvulo y el esperma. A pesar de esta acumulación de pruebas experimentales en contra de la generación espontánea, los nuevos avances siguieron alimentando la creencia en la generación espontánea. En 1740, por ejemplo, Charles Bonnet (1720-1793) descubrió la partenogénesis («nacimiento virgen», una forma de reproducción asexual) en los áfidos, y en 1748 John Turberville Needham (1731-1781) ofreció pruebas de lo que él creía que eran microbios generados espontáneamente en un frasco de caldo sellado (esto fue cuestionado posteriormente por Pierre-Louis Moreau de Maupertuis). Por último, el descubrimiento de la vida microbiana respaldó la idea de que los organismos vivos surgían espontáneamente de entornos naturales como el agua de los estanques. Así pues, los siglos XVII y XVIII fueron testigos de una serie de debates que sólo se resolvieron mucho más tarde, a finales del siglo XIX, cuando se establecieron distinciones entre los muy diferentes procesos asociados a la reproducción, los orígenes de la vida y el despliegue embriológico o de desarrollo. La creencia en la generación espontánea quedó definitivamente zanjada en 1860 con los célebres experimentos en el «matraz de cuello de cisne» de Louis Pasteur (1822-1895).
Otros avances notables en los orígenes de la biología se produjeron gracias a nuevos instrumentos y tecnologías, el más importante de los cuales fue el microscopio. Desarrollado de forma independiente por Robert Hooke (1635-1703) en Inglaterra y Antony Van Leeuwenhoek (1632-1723) en los Países Bajos, el microscopio reveló un universo de vida hasta entonces inédito y completamente inimaginado. Robert Hooke observó por primera vez unidades repetitivas que describió como «células» en su Micrographia (1665), mientras que Leeuwenhoek observó variados organismos móviles que describió como «animalcules». Si bien el microscopio abrió las exploraciones citológicas y microbiológicas, también echó por tierra la noción de Aristóteles de que la vida está organizada a lo largo de una scala naturae (escalera de la naturaleza), ya que las formas animales nuevas y diminutas no eran fáciles de localizar en la escalera de la creación. También alimentó la creencia en la generación espontánea. Marcello Malphighi (1628-1694), profesor italiano de medicina y médico personal del Papa Inocencio XII, fue pionero en el uso del microscopio y en su aplicación a la anatomía, y, basándose en los trabajos anteriores de Andrea Cesalpino y William Harvey, estudió los sistemas circulatorio y respiratorio de una serie de animales (especialmente los insectos). Fue uno de los primeros en estudiar grupos de órganos importantes como el cerebro, los pulmones y los riñones en diversos organismos.