Trots att biologin i allmänhet betraktas som en modern vetenskap med ett sent ursprung i början och mitten av 1800-talet, bygger den på olika traditioner, metoder och undersökningsområden med början i antiken. Traditionella historier om biologi är i allmänhet inriktade på två områden som slogs samman till den moderna biologiska vetenskapen: medicin och naturhistoria. Den medicinska traditionen går tillbaka på arbetet av antika grekiska läkare som Hippokrates från Kos (f. 460 f.Kr.) och på personer som Galen från Pergamon (ca 130-200), som bidrog mycket till den tidiga förståelsen av anatomi och fysiologi. Den naturhistoriska traditionen går tillbaka till Aristoteles (384-322 f.Kr.). Särskilt viktiga är hans History of Animals och andra verk där han visade naturalistiska tendenser. Viktigt är också arbetet av Aristoteles elev Theophrastus (död 287 f.Kr.), som bidrog till förståelsen av växter. Aristoteles och Theophrastus bidrog inte bara till zoologi respektive botanik, utan även till jämförande biologi, ekologi och framför allt taxonomi (vetenskapen om klassificering).
Både naturhistoria och medicin blomstrade under medeltiden, även om arbetet inom dessa områden ofta fortsatte oberoende av varandra. Medicin studerades särskilt väl av islamiska forskare som arbetade i den galenska och aristoteliska traditionen, medan naturhistoria i hög grad byggde på aristotelisk filosofi, särskilt när det gällde upprätthållandet av en fast hierarki i livet. Den romerske naturforskaren Caius Plinius Secundus (23-79), känd som Plinius, hade också ett stort inflytande på naturhistorien under medeltiden, särskilt genom sitt kompendium Natural History (som senare visade sig vara fullt av faktafel). Den mest framstående bidragsgivaren till naturhistorien under medeltiden är utan tvekan Albertus Magnus (1206-1280), erkänd för sina fantastiska botaniska studier och för sitt arbete inom fysiologi och zoologi. En mindre känd person är den tysk-romerske kejsaren Fredrik II (1194-1250), vars avhandling The Art of Falconry är en av de första seriösa redogörelserna för ornitologi.
Trots att djuren traditionellt sett drog uppmärksamheten till sig hos många naturforskare förblev studiet av zoologi underutvecklat under medeltiden, och man förlitade sig i hög grad på illustrerade djurböcker som hade sin förebild i medeltida bestiarier. Botaniken däremot blomstrade under renässansen och den tidigmoderna perioden. Studiet av växter var viktigt både inom medicinen och naturhistorien (och utgjorde faktiskt en av de få tidiga gemensamma fokuspunkterna inom de två områdena), eftersom växter betraktades som materia medica, dvs. ämnen med kända medicinska egenskaper. Dessa medicinska egenskaper gjorde att medicinen uppmärksammade växterna. Därför blev det vanligt att anlägga trädgårdar i anslutning till primära centra för medicinsk undervisning, och professorer i medicin var mycket ofta experter på materia medica och fungerade som trädgårdsintendenter. De kända taxonomerna under den tidigmoderna perioden – personer som Andrea Cesalpino (1519-1603) och Carl von Linné (1707-1778), som båda betraktas som den moderna botanikens fäder på grund av deras arbete med att reformera taxonomin – var samtidigt läkare och botaniker. Ett undantag var John Ray (1627-1705), en engelsk taxonom som också arbetade med djur.
Allt som ledde till det växande intresset för och behovet av taxonomi och till en aldrig tidigare skådad utveckling av naturhistorien var de upptäcktsresor som var förknippade med etableringen av kolonier från och med slutet av 1400-talet. Till stor del för att tillgodose behovet av att klassificera de samlingar som upptäcktsresande och resenärer gjorde för att kunna utnyttja dessa naturvaror, skapades trädgårdar och naturhistoriska museer i europeiska centra i samband med koloniala erövringar, särskilt i Madrid, Paris och London. En ny period av vetenskaplig utforskning inleddes med kapten James Cooks första resa, där inte bara astronomer och konstnärer utan även botaniker som Joseph Banks (1743-1820) ingick i expeditionerna. När Banks återvände till London bidrog han till att grunda Royal Institution of Great Britain och till att fortsätta att utvidga Kew Garden och Royal Society. Han uppmuntrade också dessa institutioner att tjäna både naturhistoriens och det expanderande brittiska imperiets intressen i slutet av 1700-talet och början av 1800-talet.
Men medan botanik och medicin var nära sammankopplade följde anatomi och fysiologi andra banor. Efter Galen är Andreas Vesalius (1514-1564) från Belgien den nästa stora figuren i anatomins historia. Till skillnad från många anatomister (som Galen, som förlitade sig på dissektioner av djur som grisar och barbariska apor) hämtade Vesalius sin kunskap om människokroppen från detaljerade dissektioner av människokadaver. Han var ovanlig för sin tid eftersom han ansåg att naturens auktoritet borde vara viktigare än de antika texternas auktoritet. Hans atlas i sju volymer om människans anatomi, De Humani Corporis Fabrica (Om människokroppens struktur), omfattade skelett- och muskelanatomi samt kroppens viktigaste organsystem. Atlasen, som var skickligt illustrerad av några av renässansens ledande konstnärer, ansågs vara ett konstverk såväl som ett anatomiskt vetenskapligt verk. Även om Vesalius ifrågasatte många av de principer som Galen och hans många kommentatorer hade, behöll han ändå vissa felaktiga konventioner som fanns i Galens anatomi, t.ex. förekomsten av porer i hjärtats skiljevägg och ”hornformade” bihang i livmodern (som finns i grisens livmoder men inte i människans livmoder). Vesalius arbete följdes kort därefter av anatomiska specialister som Bartolomeo Eustachio (1510-1574) och Gabriele Falloppio (1523-1562). Eustachio specialiserade sig på örats anatomi och Falloppio på den kvinnliga könsorganen.
Den utveckling inom anatomin som riktade intresset mot kroppens delar och organ åtföljdes av frågor som handlade om organens funktion. På 1500-talet började fysiologin, den vetenskap som specifikt behandlar levande kroppars funktion, blomstra. Den viktigaste djurfysiologen under denna period var William Harvey (1578-1657). Harvey utförde många dissektioner och vivisektioner på en rad olika djur för att fastställa att blodet cirkulerar genom kroppen och inte tillverkas de novo, vilket den galenska traditionen hade dikterat. Harveys inflytande märktes inte bara inom medicinen utan även inom den jämförande fysiologin och den jämförande biologin, eftersom han utförde sina experiment på olika djursystem. Hans experiment och stora avhandling, An Anatomical Disputation concerning the Movement of the Heart and Blood in Living Creatures (1628), anses vara en av de första demonstrationerna av metoden för hypotesprövning och experiment. Även om Harvey ofta drog analogier mellan hjärtats pumpverkan och mekaniska pumpar, motsatte han sig idén att kroppen helt och hållet lyder mekanistiska principer. Till skillnad från sin samtida René Descartes (1596-1650), som hade mekanistiska teorier om hur djurkroppar fungerar, hävdade Harvey att någon form av icke-mekanistiska specialkrafter, som senare kallades ”vitalistiska”, var ansvariga för livsprocesserna i animerad materia.
Den mekaniska filosofin – tron på att universum och dess beståndsdelar lyder mekaniska principer som kan förstås och bestämmas genom förnuftiga observationer och den nya vetenskapliga metoden – gjorde därmed sitt intåg i biologins historia. Detta gav upphov till en livlig diskussion mellan mekanism och vitalism, mellan idén att livet lyder mekanistiska principer och idén att livet är beroende av icke-mekanistiska ”vitala” principer eller på något sätt förvärvat ”emergenta egenskaper”. Debatten gick i omgångar under en stor del av biologins senare historia, fram till mitten av 1900-talet.
Under renässansen fick den mekaniska filosofin några förespråkare inom anatomi och fysiologi, med Giovanni Borelli (1608-1679) som den mest anmärkningsvärda, som försökte förstå muskelverkan i djurkroppar i termer av hävstänger och remskivor. Vissa tidiga embryologer, som anhängare till Descartes, trodde att även utvecklingen följde mekanistiska principer. I vad som kom att kallas preformationsteorin eller ”emboitement” trodde man att fröna till mogna men miniatyriserade mogna vuxna former eller homunculi var inbäddade helt intakta i mogna organismer (som om de var inneslutna i en låda i en låda, därav namnet ”emboitement”). Framstående förespråkare för detta synsätt var bland annat Marcello Malpighi (1628-1694) och Jan Swammerdam (1637-1680). Detta stod i kontrast till idén om ”epigenesis”, den tro som går tillbaka till Aristoteles och hans kommentatorer att utvecklingen började från ett ursprungligen odifferentierat material (vanligen äggstocken) och sedan följde en epigenetiskt bestämd utvecklingsväg efter befruktningen. En av de mer framträdande förespråkarna för denna teori var Pierre Louis Maupertuis (1698-1759), som hävdade att preformationistiska teorier inte kunde förklara varför avkomman bar egenskaper från båda föräldrarna.
Under 1600- och 1700-talen överlagrades teorier om embryologi och utveckling med teorier om sexuell fortplantning, tillsammans med ett antal teorier om livets uppkomst, av vilka de flesta upprätthöll idén om spontan generation. Under denna period rasade debatterna om spontan generation, idén att livet spontant skapades ur livlös materia. Den populära uppfattningen att levande organismer förökade sig från lera i vattendrag, smuts och detritus eller miljöer som ruttnande kött stöddes av ett antal forskare från antiken och framåt. William Harveys forskning om reproduktion, som publicerades 1651 som Exercitationes de Generatione Animalium (Essays on the generatione of animals), började kasta tvivel på spontan generering. Harvey trodde att allt liv reproducerade sig sexuellt, en åsikt som han på ett kärnfullt sätt uttryckte i sitt berömda diktum Ex ovo omnia (”Allting kommer från ägget”). År 1668 utförde den italienske läkaren Francesco Redi (1626-1697) ett berömt experiment som ytterligare undergrävde teorin om spontan generering. Genom att noggrant täcka ruttnande kött så att det inte var tillgängligt för flugor visade han att larver inte uppstod spontant. Tanken att sexuell reproduktion kännetecknade mycket av livet stärktes ytterligare när Nehemiah Grew (1641-1711) 1682 påvisade sexualitet hos växter. Senare, 1768, gav den italienske fysiologen Lazzaro Spallanzani (1729-1799) ytterligare bevis som motbevisade spontan generering, och 1779 redogjorde han för äggets och spermiernas sexuella funktion. Trots dessa ackumulerade experimentella bevis mot spontan generering fortsatte nya utvecklingar att underblåsa tron på spontan generering. År 1740 upptäckte till exempel Charles Bonnet (1720-1793) parthenogenes (”jungfrufödsel” – en asexuell form av reproduktion) hos bladlöss, och 1748 gav John Turberville Needham (1731-1781) bevis för vad han trodde var spontant genererade mikrober i en förseglad kolv med buljong (detta ifrågasattes senare av Pierre-Louis Moreau de Maupertuis ). Slutligen stödde upptäckten av mikrobiellt liv idén om att levande organismer spontant uppstod i naturliga miljöer som t.ex. dammvatten. Under 1600- och 1700-talen uppstod således ett antal debatter som inte löstes förrän långt senare, i slutet av 1800-talet, när man gjorde åtskillnad mellan de mycket olika processer som är förknippade med reproduktion, livets ursprung och embryologisk eller utvecklingsmässig utbredning. Tron på spontan generering avskaffades slutligen 1860 genom Louis Pasteurs (1822-1895) berömda experiment med den ”svanhalsade kolven”.
Andra anmärkningsvärda utvecklingar av biologins ursprung skedde som ett resultat av nya instrument och tekniker, varav det viktigaste var mikroskopet. Mikroskopet, som utvecklades oberoende av varandra av Robert Hooke (1635-1703) i England och Antony Van Leeuwenhoek (1632-1723) i Nederländerna, avslöjade ett tidigare osett och helt otänkbart universum av liv. Robert Hooke observerade först upprepade enheter som han beskrev som ”celler” i sin Micrographia (1665), medan Leeuwenhoek observerade varierande rörliga organismer som han beskrev som ”animalcules”. Mikroskopet öppnade för cytologiska och mikrobiologiska undersökningar, men det krossade också Aristoteles föreställning om att livet är organiserat längs en scala naturae (naturens stege), eftersom nya och små djurformer inte var lätta att lokalisera på skapelsens stege. Den gav också näring åt tron på spontan generering. Marcello Malphighi (1628-1694), italiensk professor i medicin och personlig läkare åt påven Innocentius XII, var en pionjär när det gällde användningen av mikroskopet och dess tillämpning på anatomin. Med utgångspunkt i Andrea Cesalpinos och William Harveys tidigare arbeten studerade han cirkulations- och andningsorganen hos en rad olika djur (särskilt insekter). Han var en av de första som studerade större organgrupper som hjärna, lungor och njurar hos olika organismer.