Bien que la biologie soit généralement considérée comme une science moderne dont les origines tardives se situent entre le début et le milieu du XIXe siècle, elle s’est inspirée de traditions, de pratiques et de domaines d’enquête variés dès l’Antiquité. Les histoires traditionnelles de la biologie ciblent généralement deux domaines qui ont fusionné dans la science biologique moderne : la médecine et l’histoire naturelle. La tradition de la médecine remonte aux travaux de praticiens de la Grèce antique, comme Hippocrate de Kos (460 av. J.-C.), et à des personnalités comme Galien de Pergame (130-200), qui ont beaucoup contribué à la compréhension de l’anatomie et de la physiologie. La tradition de l’histoire naturelle remonte aux travaux d’Aristote (384-322 avant J.-C.). Son Histoire des animaux et d’autres ouvrages dans lesquels il a montré des penchants naturalistes sont particulièrement importants. Les travaux de Théophraste, élève d’Aristote (m. 287 av. J.-C.), qui a contribué à la compréhension des plantes, sont également importants. Aristote et Théophraste ont contribué non seulement à la zoologie et à la botanique, respectivement, mais aussi à la biologie comparative, à l’écologie et surtout à la taxonomie (la science de la classification).
L’histoire naturelle et la médecine ont toutes deux prospéré au Moyen Âge, bien que les travaux dans ces domaines se soient souvent déroulés indépendamment. La médecine était particulièrement bien étudiée par les érudits islamiques travaillant dans les traditions galéniques et aristotéliciennes, tandis que l’histoire naturelle s’inspirait fortement de la philosophie aristotélicienne, notamment en soutenant une hiérarchie fixe de la vie. Le naturaliste romain Caius Plinius Secundus (23-79), connu sous le nom de Pline, a également exercé une influence majeure sur l’histoire naturelle au Moyen Âge, notamment par le biais de son compendium d’histoire naturelle (dont il a été démontré par la suite qu’il était truffé d’erreurs factuelles). Le plus grand contributeur à l’histoire naturelle du Moyen Âge est sans aucun doute Albertus Magnus (1206-1280), reconnu pour ses superbes études botaniques et pour ses travaux en physiologie et en zoologie. Une figure moins connue est l’empereur du Saint Empire romain germanique Frédéric II (1194-1250), dont le traité L’art de la fauconnerie est l’un des premiers comptes rendus sérieux de l’ornithologie.
Bien que les animaux aient traditionnellement attiré l’attention de nombreux naturalistes, l’étude de la zoologie est restée sous-développée au cours du Moyen Âge, s’appuyant largement sur des livres illustrés d’animaux modelés sur les bestiaires médiévaux. La botanique, en revanche, s’est épanouie à la Renaissance et au début de la période moderne. L’étude des plantes était importante en médecine, ainsi qu’en histoire naturelle (et constituait en fait l’un des rares points d’intérêt communs aux deux domaines), car les plantes étaient considérées comme des materia medica, c’est-à-dire des substances possédant des propriétés médicinales notoires. Ces propriétés médicinales ont attiré l’attention des médecins sur les plantes. Il est donc devenu courant de planter des jardins près des principaux centres d’enseignement médical, et les professeurs de médecine étaient très souvent des experts en materia medica et faisaient office de conservateurs de jardins. En effet, les taxonomistes réputés du début de la période moderne – des individus comme Andrea Cesalpino (1519-1603) et Carl Linnaeus (1707-1778), tous deux considérés comme les pères de la botanique moderne pour leur travail de réforme de la taxonomie – étaient simultanément médecins et botanistes. Une exception est John Ray (1627-1705), un taxonomiste anglais qui a également travaillé avec des animaux.
Les voyages d’exploration associés à l’établissement de colonies à partir de la fin du XVe siècle ont également conduit à l’intérêt croissant et au besoin de taxonomie et à un développement sans précédent de l’histoire naturelle. En grande partie pour répondre à la demande de classification des collections faites par les explorateurs et les voyageurs afin d’exploiter ces denrées naturelles, des jardins et des musées d’histoire naturelle ont été créés dans les centres européens associés aux conquêtes coloniales, notamment Madrid, Paris et Londres. Une nouvelle période d’exploration scientifique s’ouvre avec le premier voyage du capitaine James Cook, dont les expéditions comprennent non seulement des astronomes et des artistes mais aussi des botanistes, comme Joseph Banks (1743-1820). De retour à Londres, Banks a contribué à la fondation de la Royal Institution of Great Britain, ainsi qu’à l’expansion du Kew Garden et de la Royal Society. Il a également encouragé ces institutions à servir les intérêts de l’histoire naturelle et de l’Empire britannique en expansion à la fin du XVIIIe siècle et au début du XIXe siècle.
Si la botanique et la médecine étaient étroitement liées, l’anatomie et la physiologie ont suivi d’autres trajectoires. Après Galien, la figure majeure suivante dans l’histoire de l’anatomie est Andreas Vesalius (1514-1564) de Belgique. Contrairement à de nombreux anatomistes (comme Galien, qui s’appuyait sur des dissections d’animaux tels que des porcs et des singes de Barbarie), Vésale a tiré sa connaissance du corps humain de dissections détaillées sur des cadavres humains. Il était inhabituel pour son époque de croire que l’autorité de la nature devait supplanter celle des textes anciens. Son atlas d’anatomie humaine en sept volumes, De Humani Corporis Fabrica (Sur le tissu du corps humain), couvre l’anatomie squelettique et musculaire ainsi que les principaux systèmes organiques du corps. Habilement illustré par certains des principaux artistes de la Renaissance, l’atlas était considéré comme une œuvre d’art autant que comme une science anatomique. Bien que Vésale ait remis en question de nombreux principes défendus par Galien et ses nombreux commentateurs, il a néanmoins conservé certaines conventions erronées présentes dans l’anatomie de Galien, comme l’existence de pores dans le septum du cœur et d’appendices « cornés » dans l’utérus (présents dans l’utérus du porc mais pas dans celui de l’homme). Les travaux de Vésale furent rapidement suivis par ceux de spécialistes de l’anatomie tels que Bartolomeo Eustachio (1510-1574) et Gabriele Falloppio (1523-1562). Eustachio s’est spécialisé dans l’anatomie de l’oreille, et Falloppio dans l’appareil reproducteur féminin.
Les développements de l’anatomie qui ont tourné l’intérêt vers les parties et les organes du corps ont été accompagnés de questions traitant de la fonction des organes. Au XVIe siècle, la physiologie, la science qui traite spécifiquement du fonctionnement des corps vivants, commence à s’épanouir. Le principal physiologiste animal de cette période est William Harvey (1578-1657). Harvey a effectué de nombreuses dissections et vivisections sur toute une série d’animaux afin de déterminer que le sang circule dans le corps et n’est pas fabriqué de novo, comme le voulait la tradition galénique. L’influence de Harvey s’est fait sentir non seulement en médecine, mais aussi en physiologie et en biologie comparées, puisqu’il a réalisé ses expériences sur divers systèmes animaux. Ses expériences et son principal traité, An Anatomical Disputation concerning the Movement of the Heart and Blood in Living Creatures (1628), sont considérés comme l’une des premières démonstrations de la méthode de vérification des hypothèses et de l’expérimentation. Si Harvey établit fréquemment des analogies entre l’action de pompage du cœur et les pompes mécaniques, il résiste à l’idée que le corps obéit entièrement à des principes mécanistes. Contrairement à son contemporain René Descartes (1596-1650), qui avait des théories mécanistes du fonctionnement des corps animaux, Harvey soutenait qu’une sorte de forces spéciales non mécanistes, appelées plus tard « vitalistes », étaient responsables des processus de vie de la matière animée.
La philosophie mécanique – la croyance que l’univers et ses parties constituantes obéissaient à des principes mécaniques qui pouvaient être compris et déterminés par l’observation raisonnée et la nouvelle méthode scientifique – a ainsi fait son chemin dans l’histoire de la biologie. Cela a engendré une discussion animée entre mécanisme et vitalisme, entre l’idée que la vie obéit à des principes mécaniques et l’idée que la vie dépend de principes « vitaux » non mécaniques ou qu’elle a acquis des « propriétés émergentes ». Le débat s’est poursuivi pendant une grande partie de l’histoire de la biologie, jusqu’au milieu du vingtième siècle.
Au cours de la Renaissance, la philosophie mécanique a gagné quelques partisans en anatomie et en physiologie, la figure la plus remarquable étant Giovanni Borelli (1608-1679), qui a cherché à comprendre l’action musculaire dans les corps animaux en termes de leviers et de poulies. Certains des premiers embryologistes, disciples de Descartes, pensaient que le développement suivait également des principes mécanistes. Dans ce qui fut connu sous le nom de théorie de la préformation ou « emboitement », on pensait que les graines des formes adultes matures mais miniaturisées ou homunculi étaient encastrées entièrement intactes dans les organismes matures (comme si elles étaient enfermées dans une boîte dans une boîte, d’où le nom « emboitement »). Parmi les principaux défenseurs de ce point de vue, citons Marcello Malpighi (1628-1694) et Jan Swammerdam (1637-1680). Ce point de vue s’opposait à l’idée d' »épigenèse », la croyance remontant à Aristote et à ses commentateurs selon laquelle le développement commence à partir d’un matériel initialement indifférencié (généralement l’ovule) et suit ensuite un chemin de développement déterminé épigénétiquement après la fécondation. L’un des plus éminents partisans de cette théorie était Pierre Louis Maupertuis (1698-1759), qui soutenait que les théories préformationnistes ne pouvaient pas expliquer pourquoi la progéniture portait les caractéristiques des deux parents.
Au cours des XVIIe et XVIIIe siècles, les théories de l’embryologie et du développement se sont superposées aux théories de la reproduction sexuelle, ainsi qu’à un certain nombre de théories sur les origines de la vie, dont la plupart soutenaient l’idée de la génération spontanée. Au cours de cette période, les débats ont fait rage sur la génération spontanée, l’idée que la vie a été créée spontanément à partir de matière inanimée. La croyance populaire selon laquelle les organismes vivants se propagent à partir de la boue des cours d’eau, de la saleté et des détritus, ou d’environnements tels que la viande en décomposition, a été soutenue par un certain nombre de chercheurs dès l’Antiquité. Les recherches de William Harvey sur la reproduction, publiées en 1651 sous le titre Exercitationes de Generatione Animalium (Essais sur la génération des animaux), ont commencé à jeter le doute sur la génération spontanée. Harvey pensait que toutes les formes de vie se reproduisaient par voie sexuée, une opinion qu’il a énoncée de façon lapidaire dans son célèbre dicton Ex ovo omnia (« Tout vient de l’œuf »). En 1668, le médecin italien Francesco Redi (1626-1697) a réalisé une expérience célèbre qui a encore affaibli la théorie de la génération spontanée. En recouvrant soigneusement de la viande pourrie afin qu’elle ne soit pas accessible aux mouches, il a montré que les asticots n’émergeaient pas spontanément. L’idée que la reproduction sexuée caractérise une grande partie de la vie a été renforcée lorsque Nehemiah Grew (1641-1711) a démontré la sexualité chez les plantes en 1682. Plus tard, en 1768, le physiologiste italien Lazzaro Spallanzani (1729-1799) a apporté des preuves supplémentaires réfutant la génération spontanée, et en 1779 il a donné un compte rendu de la fonction sexuelle de l’ovule et du sperme. Malgré cette accumulation de preuves expérimentales contre la génération spontanée, de nouveaux développements ont continué à alimenter la croyance en la génération spontanée. En 1740, par exemple, Charles Bonnet (1720-1793) a découvert la parthénogenèse (« naissance virginale » – une forme asexuée de reproduction) chez les pucerons, et en 1748, John Turberville Needham (1731-1781) a présenté des preuves de ce qu’il pensait être des microbes générés spontanément dans une fiole scellée de bouillon (ce qui a été contesté plus tard par Pierre-Louis Moreau de Maupertuis). Enfin, la découverte de la vie microbienne a conforté l’idée que les organismes vivants émergeaient spontanément de milieux naturels tels que l’eau des étangs. Les dix-septième et dix-huitième siècles ont donc été le théâtre de plusieurs débats qui n’ont été résolus que bien plus tard, à la fin du dix-neuvième siècle, lorsque des distinctions ont été établies entre les processus très différents associés à la reproduction, aux origines de la vie et au déroulement embryologique ou développemental. La croyance en la génération spontanée a été définitivement enterrée en 1860 par les célèbres expériences du « flacon à col de cygne » de Louis Pasteur (1822-1895).
D’autres développements notables dans les origines de la biologie sont venus à la suite de nouveaux instruments et technologies, dont le plus important était le microscope. Mis au point indépendamment par Robert Hooke (1635-1703) en Angleterre et Antony Van Leeuwenhoek (1632-1723) aux Pays-Bas, le microscope a révélé un univers de vie jusque-là invisible et totalement inimaginable. Robert Hooke a d’abord observé des unités répétitives qu’il a décrites comme des « cellules » dans son ouvrage Micrographia (1665), tandis que Leeuwenhoek a observé des organismes mobiles variés qu’il a décrits comme des « animalcules ». Si le microscope a ouvert la voie aux explorations cytologiques et microbiologiques, il a également ébranlé la notion d’Aristote selon laquelle la vie est organisée le long d’une scala naturae (échelle de la nature), puisque les formes animales nouvelles et minuscules n’étaient pas facilement repérables sur l’échelle de la création. Elle a également alimenté la croyance en la génération spontanée. Pionnier de l’utilisation du microscope et de son application à l’anatomie, Marcello Malphighi (1628-1694), professeur de médecine italien et médecin personnel du pape Innocent XII, s’appuyant sur les travaux antérieurs d’Andrea Cesalpino et de William Harvey, a étudié les systèmes circulatoire et respiratoire d’une série d’animaux (en particulier les insectes). Il fut l’un des premiers à étudier les principaux groupes d’organes tels que le cerveau, les poumons et les reins dans divers organismes.