אחד הקריטריונים שהופעלו לחקירה מדעית אודות חלוקת בני האדם לגזעים היה הקריטריון הבלשני. כבר בשנת 1647 הציע ההולנדי מרקוס זוריוס ואן בוקסהורן (van Boxhorn) את האפשרות כי לשפות הודו-אירופיות יש מקור סקיתי משותף, אולם הצעתו לא הכתה הדים. ההיפותזה הוצעה שוב על ידי סר ויליאם ג'ונס, כאשר הוא שם לב לאוצר המילים ולמבנה התחבירי המשותף של הסנסקריט, הלטינית, היוונית והפרסית. השוואה מערכתית של השפות האלה ושל שפות עתיקות אחרות שנערכה בידי פראנץ בופ תמכה בתאוריה, וה"דקדוק ההשוואתי" של בופ, שהופיע בין 1833 ל-1852, נחשב כנקודת ההתחלה של המחקר האינדו-אירופי כתחום אקדמי. מאוחר יותר הוצעו היפותזות אחרות בנוגע למקור השפות ההודו-אירופיות.
אותו מקור משותף משוער כונה במהלך המאה ה-19 בשם "ארי" מהמילה המשותפת לאבסטן וסנסקריט, "אָרְיָה" (Arya) שפירושה "אדם אציל", שכן האינדו-איראנים היו דובריה העתיקים ביותר הידועים של השפות ההודו-אירופיות. עם זאת, המונח התייחס גם לדוברי השפות ההודו-אירופיות בכללם, ובהם רומאים, יוונים, גרמאנים, קלטים וסלאבים. במהלך המאה ה-19, ובעיקר לאחר תרומתו של הצרפתי ארתור דה גובינו במחצית המאה, הפכה הקטגוריה הבלשנית לקטגוריה גזעית ונולד המונח "הגזע הארי" (ראו בהמשך). בסוף המאה ה-20 הראה המחקר הגנטי כי אכן קיימת שונות גנטית ניכרת לאורך מחסומי הגירה תרבותיים, לצד מחסומי הגירה אחרים, ובראשם אזורי שינויים לשוניים. (ראו כאן להרחבה). להוציא את תרומתו של הקריטריון הבלשני להולדת המונח "הגזע הארי", ובעקבות כך להשפעתו המכרעת של מושג ה"גזע" בחיים הפוליטיים והחברתיים, תרומתו למחקר המדעי אודות חלוקת האנושות לגזעים לא הייתה רבה, והייתה זו הפרשנות הביולוגית ששלטה בכיפת המחקר המדעי על חלוקת האנושות לגזעים.
האסכולה הסביבתית-גאוגרפית.
במרוצת המאה ה-18 הייתה מקובלת ביותר גישה אותה ניתן לכנות כ"תאוריה הסביבתית-גאוגרפית". המדענים שהרכיבו את האסכולה הזו האמינו במוצא המשותף של כל בני האדם מהאדם הראשון, ועל כן נאלצו למצוא הסברים אחרים להבדלים הניכרים לעין בין קבוצות שונות של בני אדם. מכיוון שכך הם ייחסו את ההבדלים הללו להשפעות סביבתיות שונות, כגון אקלים, תזונה או חשיפה לאור השמש. מטבע הדברים מאפיינים סביבתיים שכאלו היו נתונים לשינוי על בסיס גאוגרפי.
מסקנה הנובעת מטענתה המרכזית של אסכולה זו היא כי ההבדלים בין בני האדם ניתנים להשפעה ולשינוי. כך, למשל, האמין בופו כי ההבדלים בין הגזעים עתידים להיעלם בהדרגתיות, אם התנאים היוצרים את ההבדלים ביניהם, קרי אקלים ותזונה, ייעלמו גם כן, או אם נסיבות אחרות ישפיעו על אופן פעולתם. למעשה, כוחה ההסברי של אסכולה זו היה חזק עד כדי כך שהיו שהציעו את האפשרות כי צבע עורם של האפריקנים ומאפייניהם הפיזיים לא היו תורשתיים כלל. בארצות הברית טען, למשל, סמואל סטנהופ סמית' (Stanhope Smith) כי עור בעל צבע כהה אינו אלא תופעה הדומה לנמשים, וכי עם חשיפה מספקת לשמש, גם אנשים בעלי צבע עור בהיר יהפכו לבעלי צבע עור כהה. לטענתו השינוי יכול לקרות גם בכיוון ההפוך, ולראיה הוא הביא את המקרה של הנרי מוס (Moss), עבד אפריקני מוירג'יניה, שכפי הנראה סבל מאובדן פיגמנטציה לאחר שעבר לצפון ארצות הברית. בהסתמכו על אותו המקרה טען בנג'מין ראש (Rush) בכינוס החברה הפילוסופית האמריקאית (American Philosophical Society) בשנת 1797 כי צבע עור שחור אינו אלא מחלה הדומה לצרעת. על אף טענות כגון אלו, ראו מרבית תומכי האסכולה הסביבתית-גאוגרפית קשר בין השפעות סביבתיות ותורשה.
שתי התורות ההתפתחותיות החשובות ביותר במאה ה-19 ולאחר מכן, אשר היו חלוקות ביניהן בנושאים רבים, הלאמארקיזם מבית מדרשו של ז'אן-בטיסט דה לאמארק ותורת האבולוציה של צ'ארלס דרווין, הסכימו ביניהן על כוחה של הסביבה בהשפעה על תכונות מורשות של אורגניזמים. אין להבין מכך כי סוגיית הגזע לא הייתה חשובה באותה התקופה. נהפוך הוא, כמעט כל מדעני האבולוציה, כמו גם כמעט כל מדעני החברה בסוף המאה ה-19 האמינו כי מושג הגזע הוא חשוב ומרכזי להבנת האנושות.
שני ההוגים הבולטים והמשפיעים ביותר, אולי, אשר השתייכו לאסכולה הסביבתית-גאוגרפית היו קארולוס ליניאוס ויוהאן פרידריך בלומנבאך.
חלוקתו של ליניאוס.
השוודי קארולוס ליניאוס היה מייסד שיטת המיון המדעית המודרנית לעולם החי. בתוקף תחומי עניינו ועיסוקו עסק גם בסיווג המין האנושי. תחילה חילק לינאוס את האנושות לארבעה גזעים לפי יבשות: אמריקנוס, אסיאטיקוס, אפריקנוס וארופיאנוס, ולאחר מכן הוסיף לחלוקה הגאוגרפית גם מאפיינים של צבע עור. חלוקה זו לא הייתה היררכית בתחילה, כלומר לא ייחסה עדיפות לאחד ממיני האדם, אולם מאוחר יותר היא כן ייחסה תכונות אופי וכישורים לבני גזעים שונים, כמו רשלנות ואדישות אצל האפריקאים, נטייה לכעס אצל האמריקנים ואצילות וכושר המצאה לאירופאים. עם ייחוס תכונות אופי וכישורים אלו לגזעים הפכה חלוקה זו להיררכית ונעשה בה שימוש להצדקת העבדות והקולוניאליזם. ייחוס זה של תכונות אופי, כישורים ומאפיינים פסיכולוגיים לגזעים לא היה ייחודי ללינאוס, וגם בופו, בן זמנו, תמך בקיומם של אותם הקשרים.
בשנת 1763 שיכלל לינאוס בחיבורו "Amoenitates academicae" את חלוקתו והוסיף לארבעת הגזעים שכבר סיווג שלושה נוספים: האדם "דמוי האדם" (Homo anthropomorpha) שכלל יצורים מיתולוגיים, כגון הסטיר וההידרה, שבקיומם האמין וטען שהם קרובי משפחה של האדם; את "האדם הפראי" (Homo ferus), ילדי הפרא שגודלו בטבע בידי בעלי חיים ללא כל קשר לבני אדם; וכן את "האדם המפלצתי" (Homo monstrosous) בו נכללו, למשל, "הענק הפטגוני" ו"הגמד האלפיני".
חלוקתו של בלומנבאך.
בשנת 1775 הציע הגרמני יוהאן פרידריך בלומנבאך
חלוקה חדשה של האנושות לארבעה גזעים. שש שנים לאחר מכן הוסיף קבוצה חמישית ובשנת 1795 קרא לקבוצות בשמות:
בלומנבאך, שהיה הומניסט ומתנגד לעבדות, טען כי האנושות ייחודית ומיוחדת ומשתייכת לבדה לקבוצת "בעלי שתי הידיים" (bimanus). הוא גם הדגיש כי בין הגזעים השונים קיימת רציפות וכן "גוני ביניים", ועל כן לא ניתן להבחין במובהק במעברים בין קבוצה לקבוצה. לבסוף, בלומנבאך עסק אך ורק בחלוקה העיקרית של המין האנושי, והכיר בקיומן של מחלקות משניות בתוך ובין גזעים אלו.
חשיבותה הרבה של הצעתו נובעת מההגמוניה לה זכתה זמן רב, מחותמה האיתן על המינוח עד לתחילת המאה ה-20, ומכך שהיא הניחה, למעשה, את הבסיס למחקר המדעי אודות הגזעים האנושיים. רבים משתמשים בחלוקה זו, ולו כבסיס לחלוקות מתוחכמות יותר, עד היום.
עליית האסכולה הביולוגית.
בעקבותיו של בלומנבאך ניסו חוקרים רבים לחדד את חלוקתו, לשפרה, להבחין בקבוצות ביניים בה או להציע לה חלופות. במערב פותחו שיטות מדעיות שונות, כגון הסומאטומטריה (מדידת הגוף) והקראניומטריה (מדידת הגולגולת). אלו הוכנסו לשימוש וחברו יחדיו ליציקת תוכן זואולוגי-מדעי לשימוש במונח "גזע". חלוקות שונות התבססו על צורת השער וצבעו, יחסים בין חלקי גוף שונים (כגון רוחב החוטם וגובהו), צורת אגן העצמות או גודל השיניים וכדומה.
לקראת סוף המאה התפתחה גם תפיסה דינמית של גזע, בניגוד לזו הסטאטית של טיפוס קבוע. לפי תורה זו גזעים חדשים נוצרו מגזעים קיימים, גזעים נעלמו ואחרים התמזגו זה עם זה, כל זאת בעיקר בעקבות השפעות סביבתיות. אחת ממקדמיה של תפיסה זו היה חוקר הטבע האנגלי צ'ארלס דרווין, שהראה בספרו החשוב "מוצא המינים" כי אין בטבע טיפוסים קבועים. דרווין האמין כי גזעים, או תת-מינים, הם קטגוריות גאוגרפיות.
ככל שהחלוקה הפכה מדעית יותר כך גם נתרבו מספר הקבוצות האנושיות המובחנות שהחלוקות השונות התיימרו להבחין בהן. כך, למשל, הציע הרוסי ז'וזף דניקר בשנת 1889 (ובמהדורה מתוקנת בשנת 1900) לא פחות מ-29 גזעים, ששמונה מהם נחלקו לגזעי משנה, אשר קובצו יחדיו לשש קבוצות גדולות.
בשנת 1900 נתגלה דבר קיומם של סוגי דם. מכיוון שסוג הדם נקבע באמצעות תורשה ונמצא כי בקרב קבוצות אוכלוסייה שונות מתקיימת שכיחות שונה של סוגי דם הרי שנפתח פתח לחקירה מדעית של הקבוצות האנושיות שלא בהתבסס על מאפיינים פיזיולוגיים בלבד.
את השיח המדעי אודות "גזע", כפי שהתפתח החל מסוף המאה ה-18 ועד לכמחצית המאה ה-20, ניתן לכנות בשם "האסכולה הביולוגית". את עיקר השקפתם של מדעני האסכולה על מושג הגזע ניתן לסכם בשתי נקודות עיקריות: ראשית, גזעים הם מחלקות (מלשון "חלוקה") אובייקטיביות וטבעיות של האנושות; ושנית, כתוצאה מכך "גזע" הוא קטגוריה מדעית מועילה בה ניתן להשתמש להסביר ולנבא התנהגות אינדוידואלית וקבוצתית. לשתי נקודות אלו ניתן להוסיף בהסתייגות מה נקודה שלישית, לפיה יש זיקה חזקה בין גזעים ביולוגיים ותופעות אנושיות אחרות (כגון יחסים בינאישיים ותרבות, ובהרחבה, הצלחה חומרית של אוכלוסיות). ההסתייגות נובעת מכך שלא כל המדענים תמכו באמיתותה של נקודה זו, אם כי היא אכן הייתה מקובלת למדי.
בעיות וירידת קרנה של האסכולה הביולוגית.
על אף התקדמות המחקר המדעי לא הצליחה האסכולה הביולוגית להגיע לדבר הסכמה בדבר אופן חלוקת האנושות לגזעים ובדבר מספר הגזעים הקיימים. גם מבחינה טקסונומית קיימת מחלוקת לגבי אופן סיווג הקבוצות האנושיות השונות בהווה ובעבר והקשרים ביניהן. לבסוף, לפי הידוע לנו כיום אין התאמה בין תכונות חיצוניות הנראות לעין, שעליהן התבססו מירב החלוקות הביולוגיות של האנושות לגזעים עד כה, לבין תכונות תורשתיות שונות כגון סוג הדם ומחלות תורשתיות מסוימות.