רק במאה ה-19 החלה להתערער החלוקה שהייתה נהוגה עד אז בין 'חקר הטבע' (Natural History), העוסק במיון ובסיווג בעלי החיים וסביבותיהם, ובין הרפואה, העוסקת בחייו ובמחלותיו של האדם. מתוך המגע בין התחומים נוצרו תחומים חדשים שהיוו בסיס לביולוגיה המודרנית - ציטולוגיה, בקטריולוגיה, חקר האבולוציה ועוד. בתחילתה של מאה זו פיתח לאמארק את התאוריה הראשונה שדחתה את תזת אי-ההשתנות של המינים, והניחה את היסוד לאבולוציה. בעקבות תורתו של לאמארק הועלו תאוריות אבולוציוניות נוספות, בהן תורת הברירה הטבעית של צ'ארלס דרווין המהווה את הבסיס למדע האבולוציה כיום. במקביל התקדם הידע האנושי בפיזיולוגיה של בעלי החיים והאדם, התפתחה התאוריה של התא, שקבעה את התא כבסיס החיים, והחיידקים זוהו כגורם למחלות.
תורשה וגנטיקה.
לקראת סוף המאה ה-19 נפגשו המחשבה האבולוציונית וחקר התא במסגרת העיסוק בתורשה. בשנת 1900 נתגלו מחדש ממצאיו של הנזיר האוסטרי גרגור מנדל, שערך כבר ב-1866 סדרת ניסויים חשובים על תורשה בצמחים. ניסוייו של מנדל והכללים שניסח הפכו לבסיס של דיסציפלינה ביולוגית חדשה - גנטיקה. דיסציפלינה זו התפתחה במהירות בארצות הברית בסדרת ניסויים שביצעו תומאס האנט מורגן ותלמידיו, ובשנות ה-30 נוצרה מתוך הגנטיקה של אוכלוסיות וחקר הברירה הטבעית תורה חדשה של התפתחות אבולוציונית, המכונה הסינתזה האבולוציונית המודרנית.
במקביל הונח הבסיס לביוכימיה במחקרים שגילו בין השאר את תפקידם של הוויטמינים ואת הדרכים שבהן פועלת המערכת המטבולית בבעלי חיים ובאדם. המחקר הביוכימי אפשר עיסוק בגנטיקה גם ברמה המולקולרית, והוביל לריכוז מאמצים רבים בזיהוי ביוכימי של היחידה הבסיסית של התורשה, הגן. מאמצים אלה נשאו פרי ב-1953, כאשר ווטסון וקריק גילו את מבנה ה-DNA, המולקולה הנושאת את הקוד הגנטי. התגלית הובילה לעיסוק נרחב במולקולה זו ובתהליכים הקשורים אליה, עיסוק שהגיע לשיאו בין השאר בפרויקט גנום האדם. יישומים אלו ואחרים הביאו לראשונה להתפתחותו של מדע יישומי מתוך הביולוגיה - ביוטכנולוגיה - ויצרו את האפשרות להנדסה גנטית.
בראשית המאה ה-20 התפתח 'חקר הטבע' מעיסוק המבוסס על תצפיות בלבד לדיסציפלינה מדעית המשתמשת גם בניסויים מבוקרים ובשיטות מדידה כמותיות, ומושתתת על בסיס תאורטי. במחצית הראשונה של המאה התפתחו מושגים כגון שרשרת מזון ומערכת אקולוגית, והונח הבסיס לאקולוגיה כדיסציפלינה עצמאית, העוסקת ביחסי הגומלין בין בעלי חיים לסביבתם. לקראת סוף המאה ה-20 התגלעה תהום בין ביולוגיה של אורגניזמים - תחומים כגון אקולוגיה, ביולוגיה התפתחותית, חקר האבולוציה, פלאואנתרופולוגיה ודיסציפלינות אחרות העוסקות באורגניזם כולו או בקבוצות של אורגניזמים - לבין ביולוגיה מולקולרית - תחום כגון ביולוגיה תאית, ביוכימיה, ביופיזיקה ועוד. עם זאת, לקראת תחילת המאה ה-21 מתחילה הפרדה זו להתפורר, כאשר ביולוגים של אורגניזמים פונים יותר ויותר לשיטות מולקולריות ואילו ביולוגים מולקולריים מתמקדים יותר ויותר ביחסי הגומלין בין גנים לסביבה ובמגוון הגנטי של אוכלוסיות בעלי-חיים. עיסוק זה מתבטא בין השאר בחקר מנגנונים נוספים של תורשה מעבר לתורשה הגנטית, תחום המכונה אפיגנטיקה.
תחומי הביולוגיה.
הביולוגיה הפכה לתחום מחקר רחב כל כך עד כי היא לא נתפסת בדרך כלל כדיסציפלינה או כמקצוע אחד, אלא כמספר תת-דיסציפלינות מקובצות. תחומי המחקר מתחלקים לארבע קבוצות עיקריות: הראשונה מורכבת מהמקצועות שחוקרים את המבנים הבסיסיים של מערכות חיות: תאים, גנים וכו'; השנייה בוחנת את הפעילות של מבנים אלה ברמה של רקמות, איברים וגופים; השלישית מתבוננת בייצורים החיים ובהיסטוריה שלהם; ואילו הקבוצה האחרונה מתמקדת בקשרי הגומלין בין היצורים החיים.
עם זאת גבולות, הקבצות ותיאורים מהווים אפיון פשטני של המחקר הביולוגי. במציאות, הגבולות בין דיסציפלינות הם גמישים, ותחומי המחקר משתמשים לעיתים קרובות בטכניקות מתחומים אחרים. לדוגמה, ביולוגיה אבולוציונית נשענת במידה רבה על טכניקות של ביולוגיה מולקולרית כדי לקבוע את הרכבם של רצפי DNA המסייעים בהבנת המגוון הגנטי של אוכלוסייה; ופיזיולוגיה משתמשת בממצאים מתחום הביולוגיה של התא לחקר רקמות ואיברים שלמים. אתולוגיה מרחיבה את המחקר הביולוגי לתחומי חקר ההתנהגות ומאפייני החשיבה של בעלי חיים, בעוד שפסיכולוגיה אבולוציונית גורסת כי שדה הפסיכולוגיה, כולל זו של בני האדם, הוא ענף של הביולוגיה.
מבנה החיים.
ביולוגיה מולקולרית הוא החקר הביולוגי ברמה המולקולרית. שדה זה חופף עם תחומים אחרים בביולוגיה, במיוחד עם תחומי הגנטיקה והביוכימיה. ביולוגיה מולקולרית עוסקת בעיקר בהבנה של קשרי הגומלין בין המערכות השונות של התא, ובתוכן הקשרים בין DNA, RNA, וסינתוז חלבונים, וכן הבנת הוויסות והבקרה של תהליכים אלו.ביולוגיה של התא חוקרת את התכונות הפיזיולוגיות של תאים, כמו גם את התנהגותם ואת קשרי הגומלין בין תאים שונים ובין תאים וסביבתם. דבר זה מבוצע הן ברמה המיקרוסקופית, והן ברמה המולקולרית. ביולוגיה של התא חוקרת הן יצורים חד-תאיים כמו חיידקים והן תאים בעלי התמחות בייצורים רב-תאיים כמו בני האדם.
ההבנה של מבנה התא והדרך שבה תאים פועלים יסודית לכל ענפי הביולוגיה. הערכה של קווי הדמיון והשוני בין סוגי תאים שונים חשובה במיוחד בתחומי הביולוגיה של התא ובביולוגיה מולקולרית. נקודות הדמיון והשוני מספקות הבנה על אחידותם של תהליכים ומבנים, דבר המאפשר את הכללתם של עקרונות שנלמדו על סוג תא מסוים לסוגי תאים אחרים.
גנטיקה היא ענף החוקר את הגנים, התורשה ואת מגוון היצורים החיים. במדע המודרני, הגנטיקה מספקת כלים חשובים למחקר תפקודו של גן מסוים, או לבחינה של יחסי גומלין בין גנים שונים. ברוב היצורים, מידע גנטי נישא בכרומוזומים - מולקולות DNA גדולות, שם הוא מיוצג על ידי הקוד הגנטי.
ביולוגיה התפתחותית חוקרת את תהליכי ההתפתחות והגדילה של יצורים חיים. מקורה של הביולוגיה ההתפתחותית באמבריולוגיה - חקר התפתחות העובר. הביולוגיה ההתפתחותית חוקרת שלושה תהליכים מרכזיים: מחזור התא - גדילתו והתרבותו, התמיינות תאים היוצרת תאים מסוגים שונים, ומורפוגנזה - יצירתם של רקמות ואיברים.
פיזיולוגיה של יצורים חיים.
פיזיולוגיה חוקרת את התהליכים המכניים, הפיזיקליים והביוכימיים המתרחשים בייצורים חיים, תוך ניסיון להבין כיצד כל מבנה פועל כמכלול. הרעיון של "מבנה לשם תפקוד" הוא מרכזי עבור הביולוגיה. לימודי הפיזיולוגיה חולקו באופן מסורתי לפיזיולוגיה של הצמח ולפיזיולוגיה של בעלי חיים, אבל העקרונות של הפיזיולוגיה הם אוניברסליים, ללא תלות בסוג היצור הנחקר. לדוגמה, המידע הנלמד אודות הפיזיולוגיה של תאי שמרים, יכול להיות מיושם על תאי אדם. פיזיולוגיה של בעלי-חיים מאפשרת הרחבה של הכלים והשיטות של פיזיולוגיה של האדם למינים שאינם האדם.
פיזיולוגיה קשורה קשר הדוק עם האנטומיה, ענף העוסק בחקר מבנה אברי האורגניזם ומיקומם. יחד, האנטומיה והפיזיולוגיה בוחנות כיצד מערכות איברים בבעלי חיים, כמו מערכת העצבים, המערכת החיסונית, המערכת האנדוקרינית, מערכת הנשימה ומערכת כלי הדם מתפקדות, ומקיימות קשרי גומלין ביניהן. המחקר של מערכות אלה נעשה במשותף עם ענפים בעלי אוריינטציה רפואית כמו נוירולוגיה ואימונולוגיה.
מגוון ואבולוציה של יצורים חיים.
המחקר האבולוציוני עוסק בחקר מוצאם ושושלתם של מינים, כמו גם תהליכי השתנותם לאורך הזמן. למחקר בענף זה זיקה למיון עולם הטבע ושני התחומים מפרים זה את זה. כך, למשל, חוקרי אבולוציה רבים מתמחים בענף טקסונומי צר, לדוגמה אורניתולוגיה (חקר העופות), או הרפטולוגיה (חקר הזוחלים וקרוביהם), אך משתמשים בידע על אורגניזמים אלה כדי לענות על שאלות באבולוציה. מצד שני, המחקר האבולוציוני חושף את הקשרים האבולוציוניים בין מינים שונים, ובכך עשוי לשנות את המיון הטקסונומי. אחד התחומים שבו נעזר המחקר האבולוציוני רבות הוא פלאונטולוגיה - חקר מאובנים, אשר חושף מינים שנכחדו ובכך מסייע בחקר שושלות ספציפיות, ובנוסף מאפשר מבט טוב יותר על קצב האבולוציה והמגמות בה. תחומים משדות אחרים בביולוגיה משמשים את המחקר האבולוציוני לשם חשיפת הקשרים בין מינים, כשביולוגיה מולקולרית, ביולוגיה התפתחותית, זואוגאוגרפיה וכן אקולוגיה, הם העיקריים שבתחומים אלה.
התחומים העיקריים בחקר המגוון הם זואולוגיה, העוסקת בחקר הביולוגיה של בעלי חיים, ובוטניקה, העוסקת בחקר הביולוגיה של צמחים. מחקרם של שני תחומים אלה מפותח כתוצאה משיטת המיון הקדומה, המחלקת את עולם החי לשתי ממלכות בלבד - בעלי חיים וצמחים. כיום נפוצים גם תחומי המחקר של שאר הממלכות, כמו מיקולוגיה (חוקרת את ממלכת הפטריות) ובקטריולוגיה (חוקרת את ממלכת החיידקים).
יחסי גומלין והסביבה.
אקולוגיה חוקרת את התפוצה והמגוון של יצורים חיים, ואת יחסי הגומלין בין היצורים לבין סביבתם הטבעית. הסביבה של יצור כוללת הן את בית הגידול שלו, שניתן לתיאור כאוסף הגורמים הא-ביוטים כמו אקלים וגאולוגיה, והן את היצורים האחרים שחולקים את בית הגידול שלו. החיים בבית הגידול נחקרים בכמה רמות שונות, החל מרמת הפרטים והאוכלוסיות ועד לרמה של מערכות אקולוגיות והביוספירה כולה. כפי שניתן לשער, אקולוגיה הוא תחום הנעזר בדיסציפלינות רבות.