Chociaż biologia jest powszechnie uważana za nowoczesną naukę z późnym początkiem na początku do połowy XIX wieku, to czerpała z różnych tradycji, praktyk i obszarów dociekań począwszy od starożytności. Tradycyjne historie biologii zazwyczaj skupiają się na dwóch obszarach, które połączyły się w nowoczesną naukę biologiczną: medycynie i historii naturalnej. Tradycja medycyny sięga prac starożytnych greckich lekarzy, takich jak Hipokrates z Kos (ur. 460 r. p.n.e.) i postaci takich jak Galen z Pergamum (ok. 130 – 200 r.), którzy przyczynili się do wczesnego zrozumienia anatomii i fizjologii. Tradycja historii naturalnej sięga prac Arystotelesa (384-322 p.n.e.). Szczególnie ważne są jego Dzieje zwierząt i inne prace, w których wykazywał on naturalistyczne skłonności. Ważna jest również praca ucznia Arystotelesa, Teofrasta (zm. 287 p.n.e.), który przyczynił się do zrozumienia roślin. Arystoteles i Teofrast przyczyniły się nie tylko do zoologii i botaniki, odpowiednio, ale także do biologii porównawczej, ekologii, a zwłaszcza taksonomii (nauka o klasyfikacji).
Zarówno historia naturalna i medycyna kwitły w średniowieczu, choć praca w tych dziedzinach często przebiegała niezależnie. Medycyna była szczególnie dobrze studiowana przez islamskich uczonych pracujących w tradycji galenickiej i arystotelesowskiej, podczas gdy historia naturalna czerpała obficie z filozofii arystotelesowskiej, zwłaszcza w podtrzymywaniu ustalonej hierarchii życia. Rzymski przyrodnik Caius Plinius Secundus (23-79), znany jako Pliniusz, również miał duży wpływ na historię naturalną w wiekach średnich, zwłaszcza dzięki swojemu kompendium Historia naturalna (później okazało się, że było pełne błędów w faktach). Bez wątpienia najwybitniejszym twórcą historii naturalnej w wiekach średnich jest Albertus Magnus (1206-1280), znany ze swych znakomitych studiów botanicznych oraz prac z zakresu fizjologii i zoologii. Mniej znaną postacią jest cesarz Świętego Cesarstwa Rzymskiego Fryderyk II (1194-1250), którego traktat Sztuka sokolnictwa jest jednym z pierwszych poważnych opisów ornitologii.
Chociaż zwierzęta tradycyjnie przyciągały uwagę wielu przyrodników, nauka zoologii pozostawała słabo rozwinięta w średniowieczu, opierając się w dużej mierze na ilustrowanych książkach o zwierzętach wzorowanych na średniowiecznych bestiariuszach. Botanika, z drugiej strony, rozkwitła w renesansie i wczesnym okresie nowożytnym. Badanie roślin było ważne zarówno w medycynie, jak i w historii naturalnej (i w rzeczywistości stanowiło jeden z niewielu wczesnych punktów wspólnych w tych dwóch dziedzinach), ponieważ rośliny były uważane za materia medica, czyli substancje o zauważalnych właściwościach leczniczych. Te właściwości lecznicze zwróciły uwagę lekarzy na rośliny. Stąd standardową praktyką stało się sadzenie ogrodów obok głównych ośrodków nauczania medycyny, a profesorowie medycyny byli często ekspertami w materia medica i służyli jako kuratorzy ogrodów. Istotnie, znani taksonomowie wczesnego okresu nowożytnego – osoby takie jak Andrea Cesalpino (1519-1603) i Carl Linnaeus (1707-1778), których obu uważa się za ojców nowoczesnej botaniki ze względu na ich pracę nad reformą taksonomii – byli jednocześnie lekarzami i botanikami. Wyjątkiem był John Ray (1627-1705), angielski taksonom, który zajmował się również zwierzętami.
Do wzrostu zainteresowania i zapotrzebowania na taksonomię oraz do bezprecedensowego rozwoju historii naturalnej przyczyniły się również podróże badawcze związane z zakładaniem kolonii od końca XV wieku. W dużej mierze po to, by zaspokoić zapotrzebowanie na klasyfikację kolekcji tworzonych przez odkrywców i podróżników w celu wykorzystania tych dóbr naturalnych, w europejskich ośrodkach związanych z podbojami kolonialnymi, zwłaszcza w Madrycie, Paryżu i Londynie, powstawały ogrody i muzea historii naturalnej. Nowy okres eksploracji naukowej rozpoczął się wraz z pierwszym rejsem kapitana Jamesa Cooka, którego ekspedycje obejmowały nie tylko astronomów i artystów, ale także botaników, takich jak Joseph Banks (1743-1820). Po powrocie do Londynu Banks walnie przyczynił się do założenia Royal Institution of Great Britain, a także do dalszej rozbudowy Kew Garden i Royal Society. Zachęcał również te instytucje do służenia interesom zarówno historii naturalnej, jak i rozszerzającego się Imperium Brytyjskiego pod koniec XVIII i na początku XIX wieku.
Podczas gdy botanika i medycyna były ściśle powiązane, anatomia i fizjologia podążały innymi trajektoriami. Po Galenie, kolejną ważną postacią w historii anatomii jest Andreas Vesalius (1514-1564) z Belgii. W przeciwieństwie do wielu anatomów (takich jak Galen, który opierał się na sekcjach zwierząt, takich jak świnie i małpy barbarzyńskie), Vesalius czerpał swoją wiedzę o ludzkim ciele ze szczegółowych sekcji ludzkich zwłok. Był niezwykły jak na swoje czasy, ponieważ uważał, że autorytet natury powinien przewyższać autorytet starożytnych tekstów. Jego siedmiotomowy atlas anatomii człowieka, De Humani Corporis Fabrica (O budowie ciała ludzkiego), obejmował anatomię szkieletową i mięśniową, a także główne układy narządów ciała. Umiejętnie ilustrowany przez czołowych artystów renesansu atlas był uważany zarówno za dzieło sztuki, jak i nauki anatomicznej. Chociaż Wesaliusz podważył wiele dogmatów Galena i jego licznych komentatorów, zachował jednak pewne błędne konwencje obecne w anatomii Galena, takie jak istnienie porów w przegrodzie serca i „rogowe” wyrostki macicy (obecne w macicy świni, ale nie człowieka). W ślad za pracami Vesaliusa poszły wkrótce prace specjalistów anatomów, takich jak Bartolomeo Eustachio (1510-1574) i Gabriele Falloppio (1523-1562). Eustachio specjalizował się w anatomii ucha, a Falloppio specjalizował się w układzie rozrodczym kobiety.
Rozwojowi anatomii, który skierował zainteresowanie na części i narządy ciała, towarzyszyły pytania dotyczące funkcji narządów. W XVI wieku zaczęła się rozwijać fizjologia, nauka zajmująca się funkcjonowaniem żywych ciał. Głównym fizjologiem zwierząt tego okresu był William Harvey (1578-1657). Harvey przeprowadził liczne sekcje i wiwisekcje na różnych zwierzętach, aby ustalić, że krew krąży w organizmie i nie jest wytwarzana de novo, jak nakazywała tradycja galenicka. Wpływ Harveya był odczuwalny nie tylko w medycynie, ale także w fizjologii porównawczej i biologii porównawczej, ponieważ przeprowadzał on swoje eksperymenty na różnych systemach zwierzęcych. Jego eksperymenty i główny traktat, An Anatomical Disputation concerning the Movement of the Heart and Blood in Living Creatures (1628), są uważane za jedną z pierwszych demonstracji metody testowania hipotez i eksperymentowania. Choć Harvey często odwoływał się do analogii między pompowaniem krwi przez serce a pompami mechanicznymi, opierał się przekonaniu, że ciało całkowicie podporządkowuje się zasadom mechaniki. W przeciwieństwie do współczesnego mu René Descartes’a (1596-1650), który wyznawał mechanistyczne teorie funkcjonowania ciał zwierzęcych, Harvey utrzymywał, że jakiś rodzaj niemechanistycznych sił specjalnych, nazwanych później „witalistycznymi”, był odpowiedzialny za procesy życiowe materii ożywionej.
Filozofia mechanistyczna – wiara, że wszechświat i jego części składowe podporządkowują się mechanicznym zasadom, które można zrozumieć i określić dzięki rozumowej obserwacji i nowej metodzie naukowej – przedostała się do historii biologii. Wywołało to ożywioną dyskusję między mechanizmem a witalizmem, między ideą, że życie podlega mechanistycznym zasadom, a ideą, że życie zależało od niemechanistycznych „witalnych” zasad lub w jakiś sposób uzyskało „emergentne właściwości”. Debata ta toczyła się przez większą część późniejszej historii biologii, aż do środkowych dekad dwudziestego wieku.
W czasie renesansu filozofia mechanistyczna zyskała kilku zwolenników w anatomii i fizjologii, z których najbardziej godną uwagi postacią był Giovanni Borelli (1608-1679), który starał się zrozumieć działanie mięśni w ciałach zwierząt w kategoriach dźwigni i krążków. Niektórzy wcześni embriolodzy, zwolennicy Kartezjusza, byli przekonani, że rozwój również podlega zasadom mechanistycznym. W tym, co stało się znane jako teoria preformacji lub „emboitement”, uważano, że zalążki dojrzałych, ale zminiaturyzowanych dojrzałych form dorosłych lub homunkulusów są osadzone całkowicie nienaruszone w dojrzałych organizmach (tak jakby były zamknięte w pudełku w pudełku, stąd nazwa „emboitement”). Do wybitnych zwolenników tego poglądu należeli Marcello Malpighi (1628-1694) i Jan Swammerdam (1637-1680). Stało to w sprzeczności z ideą „epigenezy”, przekonaniem pochodzącym od Arystotelesa i jego komentatorów, że rozwój rozpoczął się z początkowo niezróżnicowanego materiału (zwykle komórki jajowej), a następnie po zapłodnieniu podążał epigenetycznie zdeterminowaną ścieżką rozwoju. Jednym z bardziej znanych zwolenników tej teorii był Pierre Louis Maupertuis (1698-1759), który argumentował, że teorie preformacjonistyczne nie mogą wyjaśnić, dlaczego potomstwo nosi cechy obojga rodziców.
W XVII i XVIII wieku teorie embriologii i rozwoju zostały nałożone na teorie rozmnażania płciowego, wraz z wieloma teoriami na temat pochodzenia życia, z których większość podtrzymywała ideę spontanicznego pokolenia. W tym okresie toczyły się debaty na temat spontanicznej generacji, idei, że życie powstało spontanicznie z materii nieożywionej. Popularne przekonanie, że organizmy żywe rozmnażały się z błota w strumieniach, brudu i detrytusu lub środowisk takich jak gnijące mięso, było wspierane przez wielu uczonych od starożytności. Badania Williama Harveya nad rozmnażaniem, opublikowane w 1651 r. jako Exercitationes de Generatione Animalium (Eseje o rozmnażaniu zwierząt), zaczęły podawać w wątpliwość spontaniczne wytwarzanie. Harvey uważał, że wszystkie organizmy rozmnażają się płciowo, co dobitnie wyraził w swoim słynnym dictum Ex ovo omnia („Wszystko pochodzi z jaja”). W 1668 r. włoski lekarz Francesco Redi (1626-1697) przeprowadził słynny eksperyment, który jeszcze bardziej podważył teorię spontanicznego powstawania. Poprzez staranne przykrycie gnijącego mięsa, tak aby nie było ono dostępne dla much, wykazał, że larwy nie pojawiły się spontanicznie. Idea, że rozmnażanie płciowe charakteryzuje większość form życia, została jeszcze bardziej wzmocniona, gdy Nehemiah Grew (1641-1711) zademonstrował seksualność u roślin w 1682 roku. Później, w 1768 roku, włoski fizjolog Lazzaro Spallanzani (1729-1799) przedstawił dodatkowe dowody obalające spontaniczne wytwarzanie, a w 1779 roku opisał seksualną funkcję komórki jajowej i plemnika. Pomimo tych nagromadzonych dowodów eksperymentalnych przeciwko spontanicznemu powstawaniu, nowe wydarzenia nadal podsycały wiarę w spontaniczne powstawanie. W 1740 roku, na przykład, Charles Bonnet (1720-1793) odkrył partenogenezę („dziewicze narodziny” – bezpłciową formę rozmnażania) u mszyc, a w 1748 roku John Turberville Needham (1731-1781) przedstawił dowody na to, co jego zdaniem było spontanicznie generowanymi mikrobami w zamkniętej kolbie z bulionem (zostało to później podważone przez Pierre’a-Louisa Moreau de Maupertuis). Wreszcie, odkrycie życia mikrobowego wsparło ideę, że żywe organizmy spontanicznie wyłoniły się z naturalnych środowisk, takich jak woda w stawie. XVII i XVIII wiek był zatem świadkiem wielu debat, które zostały rozstrzygnięte dopiero znacznie później, pod koniec XIX wieku, gdy dokonano rozróżnienia między bardzo różnymi procesami związanymi z reprodukcją, pochodzeniem życia i rozwojem embrionalnym lub rozwojowym. Wiara w spontaniczne pokolenie została ostatecznie odłożona do lamusa w 1860 roku przez słynne eksperymenty „kolby z łabędzią szyją” Ludwika Pasteura (1822-1895).
Inne godne uwagi wydarzenia w początkach biologii nastąpiły w wyniku nowych instrumentów i technologii, z których najważniejszym był mikroskop. Opracowane niezależnie przez Roberta Hooke (1635-1703) w Anglii i Antony Van Leeuwenhoek (1632-1723) w Holandii, mikroskop ujawnił wcześniej niewidziane i całkowicie niewyobrażalne wszechświat życia. Robert Hooke w swojej Mikrografii (1665) po raz pierwszy zaobserwował powtarzające się jednostki, które określił mianem „komórek”, natomiast Leeuwenhoek zaobserwował zróżnicowane, ruchliwe organizmy, które określił mianem „animalcules”. Podczas gdy mikroskop otworzył drogę do badań cytologicznych i mikrobiologicznych, zburzył również koncepcję Arystotelesa, że życie jest zorganizowane wzdłuż Scala Naturae (drabiny natury), ponieważ nowe i drobne formy zwierzęce nie były łatwe do zlokalizowania na drabinie stworzenia. Podsyciło to również wiarę w spontaniczną generację. Marcello Malphighi (1628-1694), włoski profesor medycyny i osobisty lekarz papieża Innocentego XII, wykorzystując wcześniejsze prace Andrei Cesalpino i Williama Harveya, badał układy krwionośny i oddechowy różnych zwierząt (zwłaszcza owadów). Był jednym z pierwszych, którzy badali główne grupy narządów, takich jak mózg, płuca i nerki w różnych organizmach.
.