A biologia é geralmente considerada como uma ciência moderna com origens tardias no início a meados do século XIX, ela se baseou em diversas tradições, práticas e áreas de investigação iniciadas na antiguidade. As histórias tradicionais da biologia geralmente têm como alvo duas áreas que se fundiram na ciência biológica moderna: a medicina e a história natural. A tradição da medicina remonta ao trabalho dos antigos médicos gregos, como Hipócrates de Kos (b. 460 a.C.E.) e a figuras como Galen de Pergamum (c. 130-c. 200), que contribuíram muito para a compreensão precoce da anatomia e fisiologia. A tradição da história natural data do trabalho de Aristóteles (384-322 A.C.E.). Especialmente importantes são sua História dos Animais e outros trabalhos onde ele mostrou inclinações naturalistas. Também importante é o trabalho do estudante Theophrastus (d. 287 A.C.E.), de Aristóteles, que contribuiu para a compreensão das plantas. Aristóteles e Theophrastus contribuíram não só para a zoologia e botânica, respectivamente, mas também para a biologia comparativa, ecologia e especialmente taxonomia (a ciência da classificação).
A história natural e a medicina floresceram na Idade Média, embora o trabalho nestas áreas tenha muitas vezes procedido de forma independente. A medicina foi especialmente bem estudada por estudiosos islâmicos que trabalham nas tradições galénica e aristotélica, enquanto a história natural se baseou fortemente na filosofia aristotélica, especialmente na manutenção de uma hierarquia fixa de vida. O naturalista romano Caius Plinius Secundus (23-79), conhecido como Plínio, também teve uma grande influência na história natural durante a Idade Média, nomeadamente através do seu compêndio de História Natural (que mais tarde se revelou repleto de erros de facto). Sem dúvida o contribuinte mais notável da história natural na Idade Média é Albertus Magnus (1206-1280), reconhecido pelos seus magníficos estudos botânicos e pelo seu trabalho em fisiologia e zoologia. Uma figura menos conhecida é o Santo Imperador Romano Frederico II (1194-1250), cujo tratado A Arte da Falcoaria é um dos primeiros relatos sérios da ornitologia.
Embora os animais tradicionalmente chamassem a atenção de muitos naturalistas, o estudo da zoologia permaneceu subdesenvolvido durante a Idade Média, apoiando-se fortemente em livros ilustrados de animais modelados em bestiários medievais. A botânica, por outro lado, floresceu no período da Renascença e no início da era moderna. O estudo das plantas foi importante na medicina, bem como na história natural (e na verdade constituiu um dos poucos pontos iniciais de foco comum nas duas áreas), pois as plantas eram consideradas como matéria medica, substâncias com propriedades medicinais notáveis. Estas propriedades medicinais chamavam a atenção médica para as plantas. Assim, tornou-se prática comum plantar jardins junto a centros primários de ensino médico, e os professores de medicina eram muito frequentemente especialistas em matéria médica e serviam como curadores de jardins. De fato, taxonomistas notáveis do início do período moderno – indivíduos como Andrea Cesalpino (1519-1603) e Carl Linnaeus (1707-1778), ambos considerados pais da botânica moderna por seu trabalho na reforma da taxonomia – eram simultaneamente médicos e botânicos. Uma exceção foi John Ray (1627-1705), um taxonomista inglês que também trabalhou com animais.
O que levou ao crescente interesse e necessidade pela taxonomia e a um desenvolvimento sem precedentes da história natural foram as viagens de exploração associadas ao estabelecimento de colônias a partir do final do século XV. Em grande parte para atender à demanda de classificar as coleções feitas por exploradores e viajantes, a fim de explorar esses bens naturais, jardins e museus de história natural foram criados em centros europeus associados às conquistas coloniais, especialmente Madrid, Paris, e Londres. Um novo período de exploração científica amanheceu com a primeira viagem do Capitão James Cook, cujas expedições incluíram não só astrônomos e artistas como também botânicos, como Joseph Banks (1743-1820). Ao regressar a Londres, Banks foi fundamental para ajudar a fundar a Royal Institution of Great Britain, bem como para continuar a expandir o Kew Garden e a Royal Society. Ele também encorajou estas instituições a servir os interesses tanto da história natural como da expansão do Império Britânico no final do século XVIII e início do século XIX.
Embora a botânica e a medicina estivessem intimamente ligadas, a anatomia e a fisiologia seguiram outras trajectórias. Depois de Galen, a próxima figura importante na história da anatomia é Andreas Vesalius (1514-1564), da Bélgica. Ao contrário de muitos anatomistas (como Galen, que se apoiava em dissecções de animais como porcos e macacos bárbaros), Vesalius extraiu o seu conhecimento do corpo humano de dissecções detalhadas sobre cadáveres humanos. Ele era incomum para o seu tempo em acreditar que a autoridade da natureza deveria prevalecer sobre a autoridade dos textos antigos. Seu atlas de sete volumes de anatomia humana, De Humani Corporis Fabrica (Sobre o tecido do corpo humano), cobria a anatomia esquelética e muscular, assim como os principais sistemas de órgãos do corpo. Habilmente ilustrado por alguns dos principais artistas da Renascença, o atlas foi considerado uma obra de arte, bem como de ciência anatômica. Apesar de Vesalius ter desafiado muitos dos princípios defendidos por Galen e seus numerosos comentadores, ele reteve algumas convenções errôneas presentes na anatomia de Galen, como a existência de poros no septo do coração e apêndices “chifrados” no útero (presentes no útero do porco, mas não no útero humano). O trabalho de Vesalius foi logo seguido pelo trabalho de especialistas em anatomia como Bartolomeo Eustachio (1510-1574) e Gabriele Falloppio (1523-1562). Eustachio especializou-se na anatomia do ouvido, e Falloppio especializou-se no trato reprodutivo feminino.
Desenvoluções na anatomia que despertaram o interesse pelas partes e órgãos do corpo foram acompanhadas por questões relacionadas à função dos órgãos. No século XVI, a fisiologia, a ciência que trata especificamente do funcionamento dos corpos vivos, começou a florescer. O principal fisiologista animal desse período foi William Harvey (1578-1657). Harvey realizou numerosas dissecções e vivissecções numa série de animais para determinar que o sangue circula através do corpo e não é fabricado de novo, como a tradição galénica tinha ditado. A influência de Harvey foi sentida não só na medicina, mas também na fisiologia comparativa e na biologia comparativa, uma vez que ele realizou suas experiências em diversos sistemas animais. Seus experimentos e tratado principal, An An Anatomical Disputation concerning the Movement of the Heart and Blood in Living Creatures (1628), são considerados uma das primeiras demonstrações do método de teste de hipóteses e experimentação. Enquanto Harvey frequentemente desenhava analogias entre a ação de bombeamento do coração e as bombas mecânicas, ele resistia à idéia de que o corpo obedecesse inteiramente aos princípios mecanicistas. Ao contrário de seu contemporâneo René Descartes (1596-1650), que mantinha teorias mecanicistas sobre o funcionamento dos corpos animais, Harvey sustentava que algum tipo de forças especiais não mecanicistas, mais tarde chamadas de “vitalistas”, eram responsáveis pelos processos de vida da matéria animada.
A filosofia mecânica – a crença de que o universo e suas partes constituintes obedeciam a princípios mecânicos que podiam ser compreendidos e determinados através da observação fundamentada e do novo método científico – fez o seu caminho para a história da biologia. Isso gerou uma animada discussão entre mecanismo e vitalismo, entre a idéia de que a vida obedecia a princípios mecanicistas e a idéia de que a vida dependia de princípios “vitais” não mecanicistas ou de alguma forma adquiriu “propriedades emergentes”. O debate se prolongou durante grande parte da história subsequente da biologia, até as décadas médias do século XX.
Durante a Renascença, a filosofia mecânica ganhou alguns defensores da anatomia e da fisiologia, sendo o mais notável Giovanni Borelli (1608-1679), que procurou entender a ação muscular nos corpos animais em termos de alavancas e roldanas. Alguns embriologistas primitivos, como seguidores de Descartes, abraçaram a crença de que o desenvolvimento também seguia princípios mecanicistas. No que ficou conhecido como teoria da pré-formação ou “emboitement”, as sementes de formas adultas maduras, mas miniaturizadas, ou homunculi, eram consideradas como estando totalmente intactas em organismos maduros (como se estivessem encerradas numa caixa dentro de uma caixa, daí o nome “emboitement”). Defensores proeminentes desta visão incluíam Marcello Malpighi (1628-1694) e Jan Swammerdam (1637-1680). Isto contrastou com a idéia de “epigenese”, a crença de Aristóteles e seus comentadores de que o desenvolvimento começou a partir de material inicialmente indiferenciado (geralmente o óvulo) e depois seguiu um caminho de desenvolvimento determinado epigenicamente após a fertilização. Um dos proponentes mais proeminentes desta teoria foi Pierre Louis Maupertuis (1698-1759), que argumentou que as teorias pré-formamentistas não podiam explicar porque os descendentes tinham características de ambos os pais.
Nos séculos XVII e XVIII, as teorias de embriologia e desenvolvimento foram sobrepostas às teorias de reprodução sexual, juntamente com uma série de teorias sobre as origens da vida, a maioria das quais sustentava a ideia de geração espontânea. Durante esse período, os debates se centraram sobre a geração espontânea, a idéia de que a vida foi criada espontaneamente a partir da matéria inanimada. A crença popular de que os organismos vivos se propagavam da lama em riachos, sujeira e detritos, ou ambientes como a carne apodrecida era apoiada por vários estudiosos a partir da antiguidade. A pesquisa de William Harvey sobre reprodução, publicada em 1651 como Exercitationes de Generatione Animalium (Essays on the generation of animals), começou a lançar dúvidas sobre a geração espontânea. Harvey acreditava que toda a vida se reproduzia sexualmente, uma visão que ele afirmava medianamente com seu famoso ditado Ex ovo omnia (“Tudo vem do ovo”). Em 1668, o médico italiano Francesco Redi (1626-1697) realizou uma famosa experiência que ainda mais se afastou da teoria da geração espontânea. Ao cobrir cuidadosamente a carne podre para que não fosse acessível às moscas, ele mostrou que as larvas não surgiam espontaneamente. A idéia de que a reprodução sexual caracterizou grande parte da vida foi reforçada quando Nehemiah Grew (1641-1711) demonstrou a sexualidade nas plantas em 1682. Mais tarde, em 1768, o fisiologista italiano Lazzaro Spallanzani (1729-1799) ofereceu evidências adicionais que refutaram a geração espontânea, e em 1779 ele deu um relato da função sexual do óvulo e do esperma. Apesar desta acumulação de evidências experimentais contra a geração espontânea, novos desenvolvimentos continuaram a alimentar a crença na geração espontânea. Em 1740, por exemplo, Charles Bonnet (1720-1793) descobriu partenogênese (“nascimento virgem” – uma forma assexuada de reprodução) em pulgões, e em 1748 John Turberville Needham (1731-1781) ofereceu evidências do que ele pensava serem micróbios gerados espontaneamente em um frasco selado de caldo (isso foi mais tarde desafiado por Pierre-Louis Moreau de Maupertuis ). Finalmente, a descoberta da vida microbiana sustentou a idéia de que os organismos vivos surgiram espontaneamente de ambientes naturais, como a água de lago. Os séculos XVII e XVIII testemunharam assim uma série de debates que só foram resolvidos muito mais tarde, no final do século XIX, quando foram feitas distinções entre os processos muito diferentes associados à reprodução, as origens da vida e o desdobramento embriológico ou de desenvolvimento. A crença na geração espontânea foi finalmente posta em repouso em 1860 pelas célebres experiências do “frasco de pescoço de cisne” de Louis Pasteur (1822-1895).
Outros notáveis desenvolvimentos nas origens da biologia vieram como resultado de novos instrumentos e tecnologias, o mais importante dos quais foi o microscópio. Desenvolvido independentemente por Robert Hooke (1635-1703) na Inglaterra e Antony Van Leeuwenhoek (1632-1723) nos Países Baixos, o microscópio revelou um universo de vida anteriormente invisível e totalmente inimaginável. Robert Hooke observou pela primeira vez unidades repetidas que descreveu como “células” em sua Micrographia (1665), enquanto Leeuwenhoek observou vários organismos móveis que descreveu como “cápsulas animais”. Enquanto o microscópio abriu explorações citológicas e microbiológicas, ele também destruiu a noção de Aristóteles de que a vida é organizada ao longo de uma scala naturae (escada da natureza), uma vez que novas e minúsculas formas animais não eram facilmente localizadas na escada da criação. Também alimentou a crença na geração espontânea. Pioneiro no uso do microscópio e sua aplicação à anatomia, Marcello Malphighi (1628-1694), professor italiano de medicina e médico pessoal do Papa Inocêncio XII, com base no trabalho anterior de Andrea Cesalpino e William Harvey, estudou os sistemas circulatório e respiratório de uma série de animais (especialmente insetos). Ele foi um dos primeiros a estudar os principais grupos de órgãos como o cérebro, pulmões e rins em diversos organismos.