Vaikka biologiaa pidetään yleisesti modernina tieteenä, jonka myöhäiset juuret sijoittuvat 1800-luvun alkupuolelle ja puoliväliin, se pohjautuu moninaisiin perinteisiin, käytänteisiin ja tutkimusalueisiin, jotka alkoivat jo antiikissa. Perinteiset biologian historiat kohdistuvat yleensä kahteen alueeseen, jotka yhdistyivät moderniksi biologiseksi tieteeksi: lääketieteeseen ja luonnontieteeseen. Lääketieteen perinne juontaa juurensa antiikin kreikkalaisten lääketieteen harjoittajien, kuten Kosin Hippokrateen (s. 460 eaa.), työhön ja Pergamon Galenoksen (n. 130-200) kaltaisiin henkilöihin, jotka vaikuttivat paljon anatomian ja fysiologian ymmärtämiseen varhaisessa vaiheessa. Luonnonhistorian perinne juontaa juurensa Aristoteleen (384-322 eKr.) työhön. Erityisen tärkeitä ovat hänen teoksensa Eläinten historia ja muut teokset, joissa hän osoitti naturalistisia taipumuksia. Tärkeää on myös Aristoteleen oppilaan Theofrastoksen (k. 287 eaa.) työ, joka edisti kasvien ymmärtämistä. Aristoteles ja Theofrastos vaikuttivat eläintieteen ja kasvitieteen lisäksi myös vertailevaan biologiaan, ekologiaan ja erityisesti taksonomiaan (luokittelutiede).
Kaikki luonnontieteet ja lääketiede kukoistivat keskiajalla, vaikka työ näillä aloilla eteni usein itsenäisesti. Lääketiedettä tutkivat erityisen hyvin galenilaisessa ja aristoteelisessa perinteessä työskentelevät islamilaiset oppineet, kun taas luonnonhistoria nojautui vahvasti aristoteeliseen filosofiaan, erityisesti elämän kiinteän hierarkian ylläpitämisessä. Myös roomalaisella luonnontieteilijällä Caius Plinius Secunduksella (23-79), joka tunnetaan nimellä Plinius, oli suuri vaikutus luonnonhistoriaan keskiajalla, erityisesti hänen kokoomateoksensa Luonnonhistoria (jonka on myöhemmin osoitettu olevan täynnä asiavirheitä) kautta. Luonnonhistorian merkittävin tekijä keskiajalla on epäilemättä Albertus Magnus (1206-1280), joka tunnetaan erinomaisista kasvitieteellisistä tutkimuksistaan sekä fysiologian ja eläintieteen alalla tekemästään työstä. Vähemmän tunnettu henkilö on Pyhän Rooman keisari Fredrik II (1194-1250), jonka tutkielma The Art of Falconry on yksi ensimmäisistä vakavasti otettavista ornitologian selvityksistä.
Vaikka eläimet perinteisesti kiinnittivät monien luonnontieteilijöiden huomion, eläintieteen tutkimus jäi keskiajalla alikehittyneeksi, ja se nojautui pitkälti keskiaikaisten bestiarioiden mallin mukaisiin kuvitettuihin eläinkirjoihin. Kasvitieteet sen sijaan kukoistivat renessanssiaikana ja varhaismodernina aikana. Kasvien tutkiminen oli tärkeää sekä lääketieteessä että luonnontieteessä (ja itse asiassa se oli yksi harvoista varhaisista yhteisistä painopisteistä näillä kahdella alalla), koska kasveja pidettiin materia medica -aineina, joilla oli huomattavia lääkinnällisiä ominaisuuksia. Nämä lääkinnälliset ominaisuudet kiinnittivät lääketieteen huomion kasveihin. Näin ollen tuli tavanomaiseksi käytännöksi istuttaa puutarhoja ensisijaisten lääketieteen opetuskeskusten viereen, ja lääketieteen professorit olivat hyvin usein materia medica -asiantuntijoita ja toimivat puutarhakuraattoreina. Varhaismodernin ajan merkittävät taksonomit, kuten Andrea Cesalpino (1519-1603) ja Carl Linnaeus (1707-1778), joita molempia pidetään nykyaikaisen kasvitieteen isinä taksonomian uudistamistyönsä vuoksi, olivatkin samanaikaisesti lääkäreitä ja kasvitieteilijöitä. Poikkeuksena oli John Ray (1627-1705), englantilainen taksonomi, joka työskenteli myös eläinten parissa.
Taksonomian kasvavaan kiinnostukseen ja tarpeeseen sekä luonnonhistorian ennennäkemättömään kehitykseen johtivat myös siirtomaiden perustamiseen liittyneet tutkimusmatkat 1400-luvun loppupuolelta alkaen. Siirtomaavalloituksiin liittyviin eurooppalaisiin keskuksiin, erityisesti Madridiin, Pariisiin ja Lontooseen, perustettiin luonnonhistoriallisia puutarhoja ja museoita paljolti siksi, että löytöretkeilijöiden ja matkailijoiden luonnonhyödykkeiden hyödyntämistä varten tekemiä kokoelmia olisi voitu luokitella. Uusi tieteellisen tutkimusmatkailun kausi alkoi kapteeni James Cookin ensimmäisellä matkalla, jonka tutkimusmatkoihin osallistui tähtitieteilijöiden ja taiteilijoiden lisäksi myös kasvitieteilijöitä, kuten Joseph Banks (1743-1820). Palattuaan Lontooseen Banks oli mukana perustamassa Ison-Britannian kuninkaallista instituutiota (Royal Institution of Great Britain) sekä jatkamassa Kew Gardenin ja Royal Societyn laajentamista. Hän myös kannusti näitä laitoksia palvelemaan sekä luonnonhistorian että laajenevan brittiläisen imperiumin etuja 1700-luvun lopulla ja 1800-luvun alussa.
Ja vaikka kasvitieteet ja lääketiede liittyivät läheisesti toisiinsa, anatomia ja fysiologia seurasivat toista polkua. Galenuksen jälkeen seuraava merkittävä henkilö anatomian historiassa on belgialainen Andreas Vesalius (1514-1564). Toisin kuin monet anatomit (kuten Galenus, joka tukeutui eläinten, kuten sikojen ja barbaariapinoiden, leikkuuseen), Vesalius sai tietonsa ihmiskehosta ihmisruumiiden yksityiskohtaisista ruumiinleikkauksista. Hän oli aikakaudelleen epätavallinen, sillä hän uskoi, että luonnon auktoriteetin tulisi syrjäyttää antiikin tekstien auktoriteetti. Hänen seitsenosainen ihmisanatomian atlanttinsa De Humani Corporis Fabrica (Ihmiskehon rakenteesta) kattoi luuston ja lihasten anatomian sekä kehon tärkeimmät elinjärjestelmät. Joidenkin renessanssin johtavien taiteilijoiden taidokkaasti kuvittamaa atlasta pidettiin sekä taideteoksena että anatomisen tieteen teoksena. Vaikka Vesalius kyseenalaisti monet Galenuksen ja hänen lukuisten kommentaattoreidensa periaatteet, hän kuitenkin säilytti joitakin Galenuksen anatomiassa esiintyviä virheellisiä konventioita, kuten huokosten olemassaolon sydämen väliseinässä ja kohdun ”sarvipäiset” lisäkkeet (joita esiintyy sian kohdussa mutta ei ihmisen kohdussa). Vesaliuksen työtä seurasi pian Bartolomeo Eustachion (1510-1574) ja Gabriele Falloppion (1523-1562) kaltaisten anatomian asiantuntijoiden työ. Eustachio erikoistui korvan anatomiaan ja Falloppio naisen sukuelinten anatomiaan.
Anatomian kehitykseen, joka käänsi mielenkiinnon kehon osiin ja elimiin, liittyi elinten toimintaa käsitteleviä kysymyksiä. Kuudennellatoista vuosisadalla alkoi kukoistaa fysiologia, tiede, joka käsittelee nimenomaan elävien elinten toimintaa. Tämän ajanjakson merkittävin eläinfysiologi oli William Harvey (1578-1657). Harvey suoritti lukuisia ruumiinleikkauksia ja elävöintileikkauksia erilaisille eläimille todetakseen, että veri kiertää elimistössä eikä sitä valmisteta de novo, kuten galeeninen perinne oli sanellut. Harveyn vaikutus tuntui lääketieteen lisäksi myös vertailevassa fysiologiassa ja vertailevassa biologiassa, sillä hän teki kokeitaan erilaisilla eläinjärjestelmillä. Hänen kokeitaan ja suurta tutkielmaansa An An Anatomical Disputation concerning the Movement of the Heart and Blood in Living Creatures (An An Anatomical Disputation concerning the Movement of the Heart and Blood in Living Creatures, 1628) pidetään yhtenä ensimmäisistä hypoteesien testauksen ja kokeilun menetelmän esittelyistä. Vaikka Harvey veti usein analogioita sydämen pumppaustoiminnan ja mekaanisten pumppujen välille, hän vastusti ajatusta, että keho noudattaisi täysin mekanistisia periaatteita. Toisin kuin hänen aikalaisensa René Descartes (1596-1650), jolla oli mekanistisia teorioita eläinkehon toiminnasta, Harvey oli sitä mieltä, että jonkinlaiset ei-mekanistiset erikoisvoimat, joita myöhemmin kutsuttiin ”vitalistisiksi”, olivat vastuussa elollisen aineen elintoiminnoista.
Mekaaninen filosofia – uskomus siitä, että maailmankaikkeus ja sen osatekijät tottelivat mekaanisia periaatteita, jotka voitiin käsittää ja määritellä perustellulla havainnoinnilla ja uudella luonnontieteellisellä metodilla – löysi tiensä myös biologian historiaan. Tämä synnytti vilkkaan keskustelun mekanismin ja vitalismin välille, sen ajatuksen välille, jonka mukaan elämä noudatti mekanistisia periaatteita, ja sen ajatuksen välille, jonka mukaan elämä oli riippuvainen ei-mekanistisista ”elintärkeistä” periaatteista tai oli jotenkin hankkinut ”emergenttejä ominaisuuksia”. Keskustelua käytiin ja käytiin suurimman osan myöhemmästä biologian historiasta aina 1900-luvun keskimmäisiin vuosikymmeniin asti.
Renessanssin aikana mekaaninen filosofia sai joitakin kannattajia anatomian ja fysiologian piirissä, joista merkittävin oli Giovanni Borelli (1608-1679), joka pyrki ymmärtämään eläinkehon lihasten toimintaa vipujen ja hihnapyörien avulla. Descartesin seuraajina jotkut varhaiset embryologit uskoivat, että myös kehitys noudattaa mekanistisia periaatteita. Preformaatioteoriaksi tai ”emboitementiksi” kutsutussa teoriassa ajateltiin, että kypsien, mutta miniatyrisoitujen aikuisten muotojen tai homunculien siemenet olivat sulautuneet täysin koskemattomina täysikasvuisiin organismeihin (ikään kuin ne olisivat olleet koteloituneina laatikkoon laatikon sisällä, mistä nimi ”emboitement”). Tämän näkemyksen merkittäviä kannattajia olivat muun muassa Marcello Malpighi (1628-1694) ja Jan Swammerdam (1637-1680). Tämä oli vastakohta ”epigeneesin” ajatukselle, Aristoteleelta ja hänen kommentaattoreiltaan peräisin olevalle uskomukselle, jonka mukaan kehitys alkoi alun perin erilaistumattomasta materiaalista (tavallisesti munasolusta) ja seurasi sitten epigeneettisesti määräytynyttä kehityskulkua hedelmöityksen jälkeen. Yksi tämän teorian tunnetuimmista kannattajista oli Pierre Louis Maupertuis (1698-1759), joka väitti, että preformationistiset teoriat eivät pystyneet selittämään, miksi jälkeläisillä oli molempien vanhempien piirteitä.
Seitsemännellätoista ja kahdeksannellatoista vuosisadalla embryologiset teoriat ja kehitysteoriat asettuivat päällekkäisiksi sukupuolisen lisääntymisen teorioiden kanssa, samoin kuin useat teoriat elämän alkulähteistä, joista suurin osa tuki ajatusta spontaanista sukupolvesta. Tänä aikana kiisteltiin spontaanista sukupolvesta eli ajatuksesta, jonka mukaan elämä syntyi spontaanisti elottomasta aineesta. Useat tutkijat tukivat antiikista lähtien yleistä uskomusta, jonka mukaan elävät organismit lisääntyivät purojen mudasta, liasta ja jätteistä tai ympäristöistä, kuten mätänevästä lihasta. William Harveyn lisääntymistutkimus, joka julkaistiin vuonna 1651 nimellä Exercitationes de Generatione Animalium (Essays on the generation of animals), alkoi kyseenalaistaa spontaania sukupolvea. Harvey uskoi, että kaikki elämä lisääntyi sukupuolisesti, ja tämän näkemyksen hän ilmaisi osuvasti kuuluisalla sanonnallaan Ex ovo omnia (”Kaikki tulee munasta”). Vuonna 1668 italialainen lääkäri Francesco Redi (1626-1697) teki kuuluisan kokeen, joka entisestään horjutti spontaanin sukupolven teoriaa. Peittämällä mätänevän lihan huolellisesti niin, että kärpäset eivät pääse siihen käsiksi, hän osoitti, että toukat eivät syntyneet spontaanisti. Ajatus siitä, että seksuaalinen lisääntyminen oli ominaista suurelle osalle elämää, vahvistui entisestään, kun Nehemiah Grew (1641-1711) osoitti vuonna 1682, että kasvit ovat seksuaalisia. Myöhemmin, vuonna 1768, italialainen fysiologi Lazzaro Spallanzani (1729-1799) tarjosi lisätodisteita spontaanin sukupolven kumoamiseksi, ja vuonna 1779 hän selvitti munasolun ja siittiöiden seksuaalisen toiminnan. Huolimatta siitä, että kokeelliset todisteet spontaania sukupolvea vastaan kasaantuivat, uudet kehityssuuntaukset ruokkivat edelleen uskoa spontaaniin sukupolveen. Esimerkiksi Charles Bonnet (1720-1793) havaitsi vuonna 1740 kirvojen parthenogeneesin (”neitseellinen syntymä” – suvuton lisääntymismuoto), ja John Turberville Needham (1731-1781) esitti vuonna 1748 todisteita siitä, että hänen mielestään suljetussa liemipullossa oli spontaanisti syntyneitä mikrobeja (Pierre-Louis Moreau de Maupertuis kyseenalaisti tämän myöhemmin). Lopulta mikrobien löytyminen tuki ajatusta siitä, että eläviä organismeja syntyi spontaanisti luonnollisista ympäristöistä, kuten lammen vedestä. Seitsemännellätoista ja kahdeksannellatoista vuosisadalla käytiin siis useita kiistoja, jotka ratkaistiin vasta paljon myöhemmin 1800-luvun lopulla, jolloin alettiin erottaa toisistaan hyvin erilaiset prosessit, jotka liittyvät lisääntymiseen, elämän syntyyn ja alkion tai kehityksen kehittymiseen. Usko spontaaniin sukupolveen lakkasi lopullisesti vuonna 1860 Louis Pasteurin (1822-1895) kuuluisien ”joutsenkaulapullokokeiden” myötä.
Muut merkittävät kehityskulut biologian syntyyn tulivat uusien välineiden ja tekniikoiden ansiosta, joista tärkein oli mikroskooppi. Robert Hooke (1635-1703) Englannissa ja Antony Van Leeuwenhoek (1632-1723) Alankomaissa kehittivät toisistaan riippumatta mikroskoopin, joka paljasti ennen näkemättömän ja täysin käsittämättömän elämän universumin. Robert Hooke havaitsi ensimmäisenä toistuvia yksiköitä, jotka hän kuvasi ”soluiksi” teoksessaan Micrographia (1665), kun taas Leeuwenhoek havaitsi erilaisia liikkuvia organismeja, jotka hän kuvasi ”eläinkappaleiksi”. Vaikka mikroskooppi avasi sytologiset ja mikrobiologiset tutkimukset, se myös murskasi Aristoteleen käsityksen siitä, että elämä on järjestäytynyt scala naturae (luonnon tikapuita) pitkin, sillä uusia ja pienikokoisia eläinmuotoja ei ollut helppo sijoittaa luomisen tikapuille. Se myös ruokki uskoa spontaaniin sukupolveen. Marcello Malphighi (1628-1694), italialainen lääketieteen professori ja paavi Innocentius XII:n henkilökohtainen lääkäri, oli mikroskoopin käytön ja sen soveltamisen edelläkävijä anatomiassa, ja hän tutki Andrea Cesalpinon ja William Harveyn aiempaan työhön tukeutuen erilaisten eläinten (erityisesti hyönteisten) verenkierto- ja hengityselimiä. Hän oli yksi ensimmäisistä, joka tutki tärkeimpiä elinryhmiä, kuten aivoja, keuhkoja ja munuaisia erilaisissa eliöissä.