Deși biologia este în general considerată o știință modernă, cu origini târzii, la începutul sau la mijlocul secolului al XIX-lea, ea s-a inspirat din tradiții, practici și domenii de cercetare variate, începând din antichitate. Istoriile tradiționale ale biologiei vizează, în general, două domenii care au fuzionat în știința biologică modernă: medicina și istoria naturală. Tradiția medicinei datează de la activitatea medicilor din Grecia antică, cum ar fi Hipocrate din Kos (n. 460 î.Hr.) și de la personalități precum Galen din Pergam (c. 130-c. 200), care au contribuit mult la înțelegerea timpurie a anatomiei și fiziologiei. Tradiția istoriei naturale datează din opera lui Aristotel (384-322 î.Hr.). Deosebit de importante sunt Istoria animalelor și alte lucrări în care a manifestat înclinații naturaliste. De asemenea, importantă este și opera lui Theophrastus, elevul lui Aristotel (m. 287 î.Hr.), care a contribuit la înțelegerea plantelor. Aristotel și Theophrastus au contribuit nu numai la zoologie și, respectiv, la botanică, ci și la biologia comparată, ecologie și, în special, la taxonomie (știința clasificării).
Atât istoria naturală, cât și medicina au înflorit în Evul Mediu, deși activitatea în aceste domenii a decurs adesea independent. Medicina a fost deosebit de bine studiată de savanții islamici care lucrau în tradițiile galenică și aristotelică, în timp ce istoria naturală s-a inspirat puternic din filosofia aristotelică, în special în susținerea unei ierarhii fixe a vieții. Naturalistul roman Caius Plinius Secundus (23-79), cunoscut sub numele de Plinius, a avut, de asemenea, o influență majoră asupra istoriei naturale în Evul Mediu, în special prin compendiul său de Istorie naturală (despre care s-a dovedit ulterior că era plin de erori de fapt). Fără îndoială, cel mai remarcabil contribuitor la istoria naturală în Evul Mediu este Albertus Magnus (1206-1280), recunoscut pentru superbele sale studii botanice și pentru activitatea sa în domeniul fiziologiei și zoologiei. O figură mai puțin cunoscută este Sfântul Împărat Roman Frederic al II-lea (1194-1250), al cărui tratat Arta șoimăritului este una dintre primele relatări serioase despre ornitologie.
Deși animalele au atras în mod tradițional atenția multor naturaliști, studiul zoologiei a rămas subdezvoltat în Evul Mediu, bazându-se în mare măsură pe cărți ilustrate de animale, modelate după bestiarele medievale. Botanica, pe de altă parte, a înflorit în Renaștere și la începutul perioadei moderne. Studiul plantelor a fost important atât în medicină, cât și în istoria naturală (și, de fapt, a constituit unul dintre puținele puncte comune timpurii în cele două domenii), deoarece plantele erau considerate materie medicinală, substanțe cu proprietăți medicinale remarcabile. Aceste proprietăți medicinale au atras atenția medicilor asupra plantelor. Prin urmare, a devenit o practică standard să se planteze grădini lângă centrele primare de instruire medicală, iar profesorii de medicină erau foarte adesea experți în materia medicală și au servit drept curatori ai grădinilor. Într-adevăr, taxonomiști renumiți din perioada modernă timpurie – indivizi precum Andrea Cesalpino (1519-1603) și Carl Linnaeus (1707-1778), ambii considerați părinții botanicii moderne pentru activitatea lor de reformare a taxonomiei – au fost în același timp medici și botaniști. O excepție a fost John Ray (1627-1705), un taxonomist englez care a lucrat, de asemenea, cu animale.
De asemenea, la creșterea interesului și a nevoii de taxonomie și la o dezvoltare fără precedent a istoriei naturale au contribuit și călătoriile de explorare asociate cu înființarea coloniilor de la sfârșitul secolului al XV-lea. În mare parte pentru a răspunde cererii de clasificare a colecțiilor realizate de exploratori și călători în vederea exploatării acestor bunuri naturale, au fost create grădini și muzee de istorie naturală în centrele europene asociate cu cuceririle coloniale, în special la Madrid, Paris și Londra. O nouă perioadă de explorare științifică a început odată cu prima călătorie a căpitanului James Cook, ale cărui expediții au inclus nu numai astronomi și artiști, ci și botaniști, precum Joseph Banks (1743-1820). La întoarcerea la Londra, Banks a contribuit decisiv la fondarea Instituției Regale a Marii Britanii, precum și la continuarea extinderii Kew Garden și a Societății Regale. De asemenea, el a încurajat aceste instituții să servească interesele atât ale istoriei naturale, cât și ale Imperiului Britanic în expansiune la sfârșitul secolului al XVIII-lea și începutul secolului al XIX-lea.
În timp ce botanica și medicina au fost strâns legate, anatomia și fiziologia au urmat alte traiectorii. După Galen, următoarea figură majoră în istoria anatomiei este Andreas Vesalius (1514-1564) din Belgia. Spre deosebire de mulți anatomiști (cum ar fi Galen, care se baza pe disecții de animale precum porcii și maimuțele barbare), Vesalius și-a extras cunoștințele despre corpul uman din disecții detaliate pe cadavre umane. El era neobișnuit pentru epoca sa, considerând că autoritatea naturii ar trebui să prevaleze asupra autorității textelor antice. Atlasul său de anatomie umană în șapte volume, De Humani Corporis Fabrica (Despre structura corpului uman), a acoperit anatomia scheletului și a mușchilor, precum și principalele sisteme de organe ale corpului. Abil ilustrat de unii dintre cei mai importanți artiști renascentiști, atlasul a fost considerat atât o operă de artă, cât și de știință anatomică. Deși Vesalius a contestat multe dintre principiile susținute de Galen și de numeroșii săi comentatori, el a păstrat totuși unele convenții eronate prezente în anatomia lui Galen, cum ar fi existența porilor în septul inimii și a apendicelor „cu coarne” din uter (prezente în uterul de porc, dar nu și în uterul uman). Lucrările lui Vesalius au fost urmate la scurt timp de lucrările unor specialiști în anatomie precum Bartolomeo Eustachio (1510-1574) și Gabriele Falloppio (1523-1562). Eustachio s-a specializat în anatomia urechii, iar Falloppio s-a specializat în tractul reproducător feminin.
Dezvoltările în anatomie care au îndreptat interesul spre părțile și organele corpului au fost însoțite de întrebări care se ocupau de funcția organelor. În secolul al XVI-lea, fiziologia, știința care se ocupă în mod specific de funcționarea corpurilor vii, a început să înflorească. Principalul fiziolog al animalelor din această perioadă a fost William Harvey (1578-1657). Harvey a efectuat numeroase disecții și vivisecții pe o serie de animale pentru a determina că sângele circulă prin corp și că nu este fabricat de novo, așa cum dicta tradiția galenică. Influența lui Harvey a fost resimțită nu numai în medicină, ci și în fiziologia și biologia comparată, deoarece și-a efectuat experimentele pe diverse sisteme animale. Experimentele sale și tratatul său major, An Anatomical Disputation concerning the Movement of the Heart and Blood in Living Creatures (1628), sunt considerate una dintre primele demonstrații ale metodei de testare a ipotezelor și de experimentare. Deși Harvey a făcut frecvent analogii între acțiunea de pompare a inimii și pompele mecanice, el a rezistat ideii că organismul se supune în întregime principiilor mecaniciste. Spre deosebire de contemporanul său René Descartes (1596-1650), care susținea teorii mecaniciste ale funcționării corpurilor animale, Harvey susținea că un fel de forțe speciale nemecaniciste, numite mai târziu „vitaliste”, erau responsabile pentru procesele vitale ale materiei animate.
Filosofia mecanică – credința că universul și părțile sale constitutive se supun unor principii mecanice care pot fi înțelese și determinate prin observație rațională și prin noua metodă științifică – și-a făcut astfel loc în istoria biologiei. Aceasta a generat o discuție aprinsă între mecanicism și vitalism, între ideea că viața se supune unor principii mecaniciste și ideea că viața depindea de principii „vitale” nemecaniciste sau că dobândea cumva „proprietăți emergente”. Dezbaterea s-a succedat în mod ciclic pentru o mare parte din istoria ulterioară a biologiei, până în deceniile de mijloc ale secolului al XX-lea.
În timpul Renașterii, filosofia mecanicistă a câștigat câțiva susținători în anatomie și fiziologie, cea mai notabilă figură fiind Giovanni Borelli (1608-1679), care a încercat să înțeleagă acțiunea musculară în corpurile animale în termeni de pârghii și scripeți. Unii dintre primii embriologi, ca adepți ai lui Descartes, au îmbrățișat convingerea că și dezvoltarea urmează principii mecaniciste. În ceea ce a ajuns să fie cunoscută sub numele de teoria preformării sau „emboitement”, se credea că semințele formelor adulte mature, dar miniaturizate, sau homunculi, erau încorporate complet intacte în organismele mature (ca și cum ar fi fost înglobate într-o cutie în interiorul unei cutii, de unde și numele de „emboitement”). Printre susținătorii proeminenți ai acestui punct de vedere s-au numărat Marcello Malpighi (1628-1694) și Jan Swammerdam (1637-1680). Aceasta contrasta cu ideea de „epigeneză”, credința, care datează de la Aristotel și comentatorii săi, conform căreia dezvoltarea începea de la un material inițial nediferențiat (de obicei ovulul) și apoi urma o cale de dezvoltare determinată epigenetic după fertilizare. Unul dintre cei mai proeminenți susținători ai acestei teorii a fost Pierre Louis Maupertuis (1698-1759), care a susținut că teoriile preformaționiste nu puteau explica de ce urmașii purtau caracteristici ale ambilor părinți.
În secolele al XVII-lea și al XVIII-lea, teoriile embriologiei și dezvoltării s-au suprapus cu teoriile reproducerii sexuale, împreună cu o serie de teorii privind originile vieții, dintre care majoritatea susțineau ideea de generare spontană. În această perioadă au avut loc dezbateri asupra generației spontane, ideea că viața a fost creată în mod spontan din materie inanimată. Credința populară potrivit căreia organismele vii s-au înmulțit din noroiul din cursuri de apă, din murdărie și detritus sau din medii precum carnea în putrefacție a fost susținută de o serie de cercetători încă din antichitate. Cercetările lui William Harvey privind reproducerea, publicate în 1651 sub titlul Exercitationes de Generatione Animalium (Eseuri privind generarea animalelor), au început să pună la îndoială generarea spontană. Harvey credea că toate formele de viață se reproduc pe cale sexuală, un punct de vedere pe care l-a expus în mod concis prin celebrul său dicton Ex ovo omnia („Totul provine din ou”). În 1668, medicul italian Francesco Redi (1626-1697) a realizat un experiment celebru care a subminat și mai mult teoria generării spontane. Acoperind cu grijă carnea în putrefacție, astfel încât aceasta să nu fie accesibilă muștelor, el a demonstrat că viermii nu au apărut spontan. Ideea că reproducerea sexuală caracteriza o mare parte a vieții a fost întărită și mai mult atunci când Nehemiah Grew (1641-1711) a demonstrat sexualitatea la plante în 1682. Mai târziu, în 1768, fiziologul italian Lazzaro Spallanzani (1729-1799) a oferit dovezi suplimentare care infirmă generarea spontană, iar în 1779 a prezentat o descriere a funcției sexuale a ovulului și a spermei. În ciuda acestei acumulări de dovezi experimentale împotriva generației spontane, noi evoluții au continuat să alimenteze credința în generația spontană. În 1740, de exemplu, Charles Bonnet (1720-1793) a descoperit partenogeneza („naștere virgină” – o formă asexuată de reproducere) la afide, iar în 1748 John Turberville Needham (1731-1781) a oferit dovezi despre ceea ce el credea că sunt microbi generați spontan într-un balon de bulion sigilat (acest lucru a fost contestat ulterior de Pierre-Louis Moreau de Maupertuis ). În cele din urmă, descoperirea vieții microbiene a susținut ideea că organismele vii au apărut în mod spontan din medii naturale, cum ar fi apa din iazuri. Secolele al XVII-lea și al XVIII-lea au fost astfel martorele unor dezbateri care au fost rezolvate abia mult mai târziu, la sfârșitul secolului al XIX-lea, când s-au făcut distincții între procesele foarte diferite asociate cu reproducerea, originile vieții și desfășurarea embriologică sau de dezvoltare. Credința în generarea spontană a fost în cele din urmă pusă la punct în 1860 prin celebrele experimente cu „balonul cu gât de lebădă” ale lui Louis Pasteur (1822-1895).
Alte evoluții notabile în originile biologiei au venit ca urmare a noilor instrumente și tehnologii, dintre care cel mai important a fost microscopul. Dezvoltat independent de Robert Hooke (1635-1703) în Anglia și Antony Van Leeuwenhoek (1632-1723) în Țările de Jos, microscopul a dezvăluit un univers al vieții nevăzut până atunci și complet neimaginat. Robert Hooke a observat pentru prima dată unități repetitive pe care le-a descris drept „celule” în lucrarea sa Micrographia (1665), în timp ce Leeuwenhoek a observat organisme mobile variate pe care le-a descris drept „animalcule”. În timp ce microscopul a deschis calea explorărilor citologice și microbiologice, el a spulberat, de asemenea, noțiunea lui Aristotel conform căreia viața este organizată de-a lungul unei scala naturae (scara naturii), deoarece formele animale noi și minuscule nu erau ușor de localizat pe scara creației. De asemenea, a alimentat credința în generarea spontană. Pionier în utilizarea microscopului și în aplicarea acestuia la anatomie, Marcello Malphighi (1628-1694), profesor italian de medicină și medic personal al Papei Inocențiu al XII-lea, bazându-se pe lucrările anterioare ale lui Andrea Cesalpino și William Harvey, a studiat sistemele circulator și respirator ale unei serii de animale (în special ale insectelor). A fost unul dintre primii care a studiat grupuri majore de organe, cum ar fi creierul, plămânii și rinichii la diverse organisme
.