A biológiát általában modern tudománynak tekintik, amelynek késői eredete a XIX. század elejére-közepére tehető, de már az ókortól kezdve sokféle hagyományra, gyakorlatra és kutatási területre támaszkodott. A biológia hagyományos története általában két területet vesz célba, amelyek a modern biológiai tudományba olvadtak bele: az orvostudományt és a természettudományt. Az orvostudomány hagyománya az ókori görög orvosok, például a kószi Hippokratész (i. e. 460) munkásságára és olyan személyiségekre vezethető vissza, mint a pergamoni Galénosz (kb. 130-200), aki sokat tett hozzá az anatómia és a fiziológia korai megértéséhez. A természetrajz hagyománya Arisztotelész (i. e. 384-322) munkásságáig nyúlik vissza. Különösen fontosak az Állatok története és más művei, amelyekben természettudományos irányultságot mutatott. Ugyancsak fontos Arisztotelész tanítványának, Theophrastosnak (Kr. e. 287) a munkássága, aki hozzájárult a növények megértéséhez. Arisztotelész és Theophrastos nemcsak a zoológiához, illetve a botanikához járult hozzá, hanem az összehasonlító biológiához, az ökológiához és különösen a taxonómiához (az osztályozás tudománya) is.
A középkorban mind a természettudomány, mind az orvostudomány virágzott, bár a munka ezeken a területeken gyakran egymástól függetlenül folyt. Az orvostudományt különösen jól tanulmányozták a galenikus és arisztotelészi hagyományok alapján dolgozó iszlám tudósok, míg a természettudomány nagymértékben támaszkodott az arisztotelészi filozófiára, különösen az élet rögzített hierarchiájának fenntartásában. A római természettudós, Caius Plinius Secundus (23-79), más néven Plinius, a középkorban szintén nagy hatással volt a természettudományra, különösen a Természettudomány című (később kiderült, hogy tévedésekkel teli) kompendiuma révén. A középkor természettudományának kétségtelenül legkiemelkedőbb alkotója Albertus Magnus (1206-1280), aki kiváló botanikai tanulmányairól, valamint fiziológiai és zoológiai munkásságáról ismert. Kevésbé ismert személyiség II. szent római császár Frigyes (1194-1250), akinek A sólyomászat művészete című értekezése az ornitológia egyik első komoly beszámolója.
Bár az állatok hagyományosan sok természettudós figyelmét felkeltették, a zoológia tanulmányozása a középkorban fejletlen maradt, és nagymértékben a középkori bestiáriumok mintájára készült, állatokról szóló illusztrált könyvekre támaszkodott. A botanika ezzel szemben a reneszánsz és a kora újkorban virágzott. A növények tanulmányozása a természettudomány mellett az orvostudományban is fontos volt (és valójában a két terület kevés közös korai fókuszpontjának egyikét jelentette), mivel a növényeket materia medica-nak, azaz gyógyászati tulajdonságokkal rendelkező anyagoknak tekintették. Ezek a gyógyhatások irányították az orvosok figyelmét a növényekre. Ezért vált szokássá, hogy az orvosi oktatás elsődleges központjai mellé kerteket telepítettek, és az orvosprofesszorok nagyon gyakran a materia medica szakértői voltak, és a kertek kurátoraiként szolgáltak. A kora újkor neves taxonómusai – például Andrea Cesalpino (1519-1603) és Carl Linnaeus (1707-1778), akiket a taxonómia megreformálásában végzett munkájuk miatt a modern botanika atyjának tartanak – egyszerre voltak orvosok és botanikusok. Kivételt képezett John Ray (1627-1705) angol taxonómus, aki állatokkal is foglalkozott.
A taxonómia iránti növekvő érdeklődéshez és igényhez, valamint a természettudomány példátlan fejlődéséhez vezettek a 15. század végétől a gyarmatosítással járó felfedezőutak is. Nagyrészt a felfedezők és utazók által e természeti javak kiaknázása érdekében végzett gyűjtések osztályozására irányuló igény kielégítésére a gyarmati hódításokhoz kapcsolódó európai központokban, különösen Madridban, Párizsban és Londonban természettudományi kerteket és múzeumokat hoztak létre. A tudományos felfedezések új korszaka James Cook kapitány első útjával kezdődött, akinek expedícióin a csillagászok és művészek mellett olyan botanikusok is részt vettek, mint Joseph Banks (1743-1820). Londonba visszatérve Banks jelentős szerepet játszott a Nagy-Britanniai Királyi Intézet megalapításában, valamint a Kew-kert és a Királyi Társaság további bővítésében. Arra is ösztönözte ezeket az intézményeket, hogy a XVIII. század végén és a XIX. század elején mind a természettudomány, mind a terjeszkedő Brit Birodalom érdekeit szolgálják.
Míg a botanika és az orvostudomány szorosan összekapcsolódott, az anatómia és az élettan más pályát követett. Galénosz után az anatómia történetének következő jelentős alakja a belga Andreas Vesalius (1514-1564). Sok anatómussal ellentétben (mint például Galénosz, aki állatok, például sertések és barbár majmok boncolásaira támaszkodott), Vesalius az emberi testről szerzett ismereteit emberi holttestek részletes boncolásából merítette. Korában szokatlan módon úgy vélte, hogy a természet tekintélyének felül kell múlnia az ókori szövegek tekintélyét. Az emberi anatómiáról szóló hétkötetes atlasza, a De Humani Corporis Fabrica (Az emberi test szövetéről) a csontváz- és izomanatómiát, valamint a test főbb szervrendszereit foglalta össze. A vezető reneszánsz művészek némelyike által ügyesen illusztrált atlaszt az anatómiai tudomány mellett művészeti alkotásnak is tekintették. Bár Vesalius számos, Galénosz és számos kommentátora által vallott tételt megkérdőjelezett, mégis megtartott néhány téves konvenciót Galénosz anatómiájában, mint például a pórusok létezését a szív szeptumában és a méh “szarvas” függelékeit (amelyek a sertés méhében jelen vannak, de az emberi méhben nem). Vesalius munkásságát rövidesen olyan anatómiai szakemberek munkássága követte, mint Bartolomeo Eustachio (1510-1574) és Gabriele Falloppio (1523-1562). Eustachio a fül anatómiájára, Falloppio pedig a női reproduktív traktusra specializálódott.
Az anatómia azon fejlődéseit, amelyek az érdeklődést a testrészek és szervek felé fordították, a szervek működésével foglalkozó kérdések kísérték. A XVI. században kezdett virágzásnak indulni a fiziológia, az a tudomány, amely kifejezetten az élő testek működésével foglalkozik. E korszak jelentős állatfiziológusa William Harvey (1578-1657) volt. Harvey számos boncolást és élveboncolást végzett különböző állatokon, hogy megállapítsa, hogy a vér kering a szervezetben, és nem de novo keletkezik, ahogy azt a galenikus hagyomány diktálta. Harvey hatása nemcsak az orvostudományban, hanem az összehasonlító élettanban és az összehasonlító biológiában is érezhető volt, mivel kísérleteit különböző állati rendszereken végezte. Kísérleteit és fő értekezését, az An An Anatomical Disputation concerning the Movement of the Heart and Blood in Living Creatures (1628) címűt a hipotézisvizsgálat és a kísérletezés módszerének egyik első demonstrációjaként tartják számon. Bár Harvey gyakran vont analógiákat a szív pumpáló működése és a mechanikus szivattyúk között, ellenállt annak az elképzelésnek, hogy a test teljes mértékben mechanisztikus elveknek engedelmeskedik. Kortársával, René Descartes-zal (1596-1650) ellentétben, aki mechanisztikus elméleteket vallott az állati testek működéséről, Harvey fenntartotta, hogy valamiféle nem mechanisztikus, később “vitalisztikusnak” nevezett különleges erők felelősek az élő anyag életfolyamataiért.
A mechanikus filozófia – az a hit, hogy a világegyetem és alkotóelemei mechanikus elveknek engedelmeskednek, amelyeket ésszerű megfigyeléssel és az új tudományos módszerrel lehet megérteni és meghatározni – így vonult be a biológia történetébe. Ez élénk vitát váltott ki a mechanizmus és a vitalizmus között, a mechanisztikus elveknek engedelmeskedő élet és a nem mechanisztikus “vitális” elvektől függő vagy valamilyen módon “emergens tulajdonságokra” szert tevő élet elképzelése között. A vita a biológia későbbi történetének nagy részében, egészen a huszadik század középső évtizedeiig ki-be cikázott.
A reneszánsz idején a mechanikus filozófia nyert néhány támogatót az anatómiában és a fiziológiában, a legjelentősebb figura Giovanni Borelli (1608-1679) volt, aki az állati testek izomműködését karok és csigák segítségével próbálta megérteni. Néhány korai embriológus Descartes követőjeként azt a meggyőződést képviselte, hogy a fejlődés is mechanisztikus elveket követ. A preformációs elméletként vagy “emboitement”-ként ismertté vált elképzelés szerint az érett, de miniatürizált kifejlett formák vagy homunculák csírái teljesen épségben beágyazódtak az érett szervezetekbe (mintha egy dobozba lennének zárva egy dobozban, innen az “emboitement” elnevezés). E nézet jeles képviselői közé tartozott Marcello Malpighi (1628-1694) és Jan Swammerdam (1637-1680). Ez ellentétben állt az “epigenezis” elképzelésével, azzal az Arisztotelészre és kommentátoraira visszanyúló hiedelemmel, amely szerint a fejlődés kezdetben differenciálatlan anyagból (általában a petesejtből) indul, majd a megtermékenyítés után epigenetikusan meghatározott fejlődési utat követ. Ennek az elméletnek az egyik legismertebb képviselője Pierre Louis Maupertuis (1698-1759) volt, aki azzal érvelt, hogy a preformációs elméletek nem tudták megmagyarázni, hogy az utódok miért hordozzák mindkét szülő tulajdonságait.
A XVII. és XVIII. században az embriológiai és fejlődési elméleteket a szexuális reprodukció elméleteivel, valamint az élet eredetéről szóló számos elmélettel együtt, amelyek többsége a spontán generáció gondolatát támogatta, egymásra helyezték. Ebben az időszakban viták folytak a spontán generációról, vagyis arról az elképzelésről, hogy az élet spontán módon jött létre élettelen anyagból. Azt a népszerű hiedelmet, hogy az élő szervezetek patakok iszapjából, szennyeződésekből és törmelékből, vagy olyan környezetből, mint a rothadó hús, szaporodtak, az ókortól kezdve számos tudós támogatta. William Harvey szaporodással kapcsolatos kutatásai, amelyeket 1651-ben Exercitationes de Generatione Animalium (Esszék az állatok nemzéséről) címmel tett közzé, kezdték kétségbe vonni a spontán generációt. Harvey úgy vélte, hogy minden élet szexuális úton szaporodik, és ezt a nézetet a híres Ex ovo omnia (“Minden a tojásból származik”) diktumával frappánsan megfogalmazta. 1668-ban az olasz orvos, Francesco Redi (1626-1697) egy híres kísérletet hajtott végre, amely tovább rontotta a spontán generáció elméletét. A rothadó húst gondosan letakarva, hogy a legyek ne férjenek hozzá, kimutatta, hogy a férgek nem spontán módon keletkeznek. Az az elképzelés, hogy az élet nagy részét az ivaros szaporodás jellemzi, tovább erősödött, amikor Nehemiah Grew (1641-1711) 1682-ben kimutatta a növények szexualitását. Később, 1768-ban az olasz fiziológus, Lazzaro Spallanzani (1729-1799) további bizonyítékokkal cáfolta a spontán generációt, 1779-ben pedig beszámolt a petesejt és a spermium szexuális funkciójáról. A spontán generáció ellen felhalmozódó kísérleti bizonyítékok ellenére az új fejlemények tovább táplálták a spontán generációba vetett hitet. Charles Bonnet (1720-1793) például 1740-ben levéltetveknél felfedezte a parthenogenezist (“szűznemzés” – a szaporodás aszexuális formája), 1748-ban pedig John Turberville Needham (1731-1781) bizonyítékot szolgáltatott arra, hogy egy lezárt lombikban levesben spontán keletkezett mikrobákról volt szó (ezt később Pierre-Louis Moreau de Maupertuis megkérdőjelezte). Végül a mikrobiális élet felfedezése alátámasztotta azt az elképzelést, hogy az élő szervezetek spontán módon keletkeztek a természetes környezetből, például a tóvízből. A tizenhetedik és tizennyolcadik században tehát számos olyan vitát folytattak, amelyek csak jóval később, a tizenkilencedik század végén oldódtak meg, amikor különbséget tettek a szaporodással, az élet eredetével és az embriológiai vagy fejlődési kibontakozással kapcsolatos nagyon különböző folyamatok között. A spontán generációba vetett hitet végül Louis Pasteur (1822-1895) híres “hattyúnyaklombik” kísérletei vetettek véget 1860-ban.
A biológia eredetével kapcsolatos további figyelemre méltó fejlemények az új eszközök és technológiák eredményeként jöttek létre, amelyek közül a legfontosabb a mikroszkóp volt. Az angliai Robert Hooke (1635-1703) és a holland Antony Van Leeuwenhoek (1632-1723) által egymástól függetlenül kifejlesztett mikroszkóp az élet korábban nem látott és teljesen elképzelhetetlen univerzumát tárta fel. Robert Hooke figyelt meg először ismétlődő egységeket, amelyeket “sejtek”-ként írt le a Micrographia (1665) című művében, míg Leeuwenhoek változatos mozgású organizmusokat figyelt meg, amelyeket “állatkák”-ként írt le. Miközben a mikroszkóp megnyitotta a citológiai és mikrobiológiai feltárásokat, Arisztotelész azon elképzelését is megdöntötte, hogy az élet a scala naturae (a természet létrája) mentén szerveződik, mivel az új és apró állati formák nem voltak könnyen elhelyezhetők a teremtés létráján. Ez táplálta a spontán keletkezésbe vetett hitet is. Marcello Malphighi (1628-1694), az olasz orvosprofesszor és XII. Innocentus pápa személyes orvosa, a mikroszkóp használatának és anatómiai alkalmazásának úttörője, Andrea Cesalpino és William Harvey korábbi munkáira támaszkodva számos állat (különösen rovarok) keringési és légzőrendszerét tanulmányozta. Az elsők között tanulmányozta a főbb szervcsoportokat, mint például az agy, a tüdő és a vesék különböző élőlényekben.