görüşleri doğa düşünürleri arasında iyi bilinse ve çok tartışılsa da dünyanın yaşı ve soy tükenmesi gibi konular üzerindeki felsefi ve teolojik tartışmalar nedeniyle 18. yüzyılın sonuna kadar tüm doğa bilimcileri tarafından kabul görmemiştir.

19. yüzyıl boyunca biyoloji, şekil ve işlev sorularını inceleyen tıp ile yaşam çeşitliliği, canlıların kendi arasında ve cansız dünya ile olan ilişkileri ile ilgilenen doğa tarihi arasında bölünmüştü. 1900'lerde bu alanların çoğu iç içe geçmişti ve doğa tarihi ile doğa felsefesi artık yerlerini daha uzmanlaşmış olan sitoloji, bakteriyoloji, morfoloji, embriyoloji, coğrafya ve jeolojiye bırakmıştı.

19. yüzyılın başlarından ortalarına kadar doğa bilimcilerinin yoğun yolculukları sonucuna canlı organizmaların çeşitliliği ve dağılımı hakkında birçok yeni bilgi elde edildi. Bunların arasında fizik ve kimya gibi doğa felsefesinin nicel yöntemlerini kullanarak doğa tarihi alanında organizmaların arasındaki ve çevreleriyle olan ilişkileri analiz eden Alexander von Humboldt'un çalışmaları önemli yer tutar. Humboldt'un çalışmaları biyocoğrafyanın temellerini attı ve birçok bilim insanı kuşağına ilham verdi.

Jeolojinin ortaya çıkmasıyla birlikte doğa tarihi ve doğa felsefesi birbirlerine daha da yakınlaştılar. Stratigrafinin kurulması ile birlikte canlı organizmaların konumsal dağılımına zamansal dağılımın da eklenmesini sağlayarak evrim kavramlarının anahtar bir noktasını oluşturdu. Georges Cuvier ve diğerleri 1790'ların sonunda ve 1800'lerin başında karşılaştırmalı anatomi ve paleontoloji konusunda büyük adımlar attılar. Bir dizi konferans ve bilimsel yazı ile Cuvier yaşayan memeliler ile fosiller arasında detaylı karşılaştırmalar yaparak, fosillerin hâlâ yaşayan türlerin kalıntılıraı olduğu inancını yıkarak bunların artık soyu tükenmiş canlılara ait olduğunu kanıtladı. Gideon Mantell, William Buckland, Mary Anning, Richard Owen ve diğerleri tarafından ortaya çıkarılan ve tanımlanan fosiller tarihöncesi memelilerden önce bir "sürüngenler çağı" olduğunu ortaya koydu. Bu keşifler insanların hayalgücüne hitap etti ve dünya üzerinde yaşamın tarihine olan ilgiyi artırdı. Bu jeologların çoğu katastrofizm hipotezine bağlı kalırken Charles Lyell'in etkili "Principles of Geology" ("Jeoloji'nin Prensipleri") eseri (1830) jeolojik geçmiş işe günümüzün birbirine eşit oranda açıklandığı James Hutton'ın tek biçimlilik teorisini yaygınlaştırmıştır.

Darwin'in evrim teorisinden önceki en önemli teori Jean-Baptiste Lamarck'ın elde edilen özeliklerin kalıtımına dayanan ve en küçük mikroptan insanlara kadar uzanan bir gelişme zincirini tanımlayan teorisiydi. İngiliz doğabilimci Charles Darwin, Humboldt'un biyocoğrafya yaklaşımını, Lyell'in tek biçimli jeolojisini, Thomas Malthus'un nüfus çoğalması ile ilgili yazılarını ve kendi morfoloji üzerine olan uzmanlığını birleştirerek doğal seleksiyona dayanan çok daha başarılı bir evrim teorisi geliştirmiştir. Benzer kanıtlar, Darwin'den bağımsız olarak Alfred Russel Wallace da benzer sonuçlara ulaşmıştır.

Darwin'in teorisinin 1859 yılında "Doğal Seçilim Yoluyla Türlerin Kökeni ya da Hayat Kavgasında Avantajlı Irkların Korunumu Üzerine" adlı eserinde yayımlanması modern biyoloji tarihinin en önemli olayı sayılır. Darwin'in doğabilimcisi olarak kabul edilen yetkinliği, eserinin ölçülü tonu ve en önemlisi sunulan kanıtların çokluğu ve şeffaflığı kendinden önce gelen evrim ile ilgili eserlerin aksine "Türlerin Kökeni"nin başarılı olmasını sağlamıştır. 19. yüzyılın sonuna doğru bilim insanlarının çoğu evrime ve ortak ata kavramını kabul etmişti. Ancak, o dönemde varolan kalıtım teorilerinin rastgele varyasyonların kalıtımı ile uyumsuz olması nedeniyle, evrimin ana mekanizmasının doğal seleksiyon olduğu 20. yüzyılın ortalarına kadar kabul edilmemiştir.

Wallace, de Candolle, Humboldt ve Darwin'in eserlerini izleyerek zoocoğrafya alanında önemli katkılarda bulunmuştur. Transmutasyon varsayımına olan ilgisi nedeniyle, önce Güney Amerika sonra da Malay Takımadalarında yaptığı saha çalışmalarında yakın akraba olan türlerin coğrafi dağılımına özel bir dikkat göstermiştir. Malay Takımadalarında iken Maluku Adalarından geçen ve takımadaları Asya bölgesi ile Yeni Gine/Avustralya bölgesi olarak ikiye bölen Wallace hattını tanımladı. Ana sorusu olan, benzer iklimlere sahip olan adaların direyinin neden farklı olduğu ancak buradaki türlerin kökeni ile açıklanabilirdi. Yaklaşık yarım yüzyıl boyunca referans eser olarak kullanılan "The Geographical Distribution of Animals" (Hayvanların Coğrafi Dağılımı) eserini 1876 yılında yazdı ve bu eserini ada biyocoğrafyası ile ilgilenen 1880 yılına ait "Island Life" (Ada Hayatı) adlı eseriyle tamamladı. Philip Sclater tarafından geliştirilen altı alanlı sistemi genişleterek kuşlardan her türlü hayvana kadar coğrafi dağılımları açıklamak için kullandı.

Kalıtım üzerine olan bilimsel çalışmalar, Darwin'in "Türlerin Kökeni" eserinin ışığında Francis Galton ve biyometrisyenlerin çalışmalarıyla kısa sürede büyüdü. Genetiğin kökeninin genellikle Gregor Mendel'in 1866 yılındaki çalışmaları olduğu gösterilir ve kalıtım yasalarına da adı verilmiştir. Ancak çalışmalarına yapıldıktan 35 yıl sonraya kadar önem verilmemiş ve ilgi gösterilmemiştir. O dönemde pangenezis, orthogenezis ve diğer mekanizmalara dayanan birçok kalıtım teorisi tartışılşmaktaydı. Embriyoloji ve ekoloji de evrim ile bağlantılı olarak önemli biyolojik bilim dalları olarak, özellikle Ernst Haeckel'in eserleriyle gelişmeye başlamıştır. Ancak 19. yüzyılda kalıtım üzerine yapılan çalışmaların çoğu doğa tarihi alanında değil deneysel fizyoloji alanındaydı.

19. yüzyıl boyunca, fizyolojinin alanı başlıca tıbba yönelik bir alandan insanın yanı sıra bitkileri, hayvanları ve hatta mikroorganizmaları da içeren tüm canlıların fiziksel ve kimyasal süreçlerini inceleyen geniş kapsamlı bir alana doğru gelişmiştir. "Makinalar gibi canlılar" biyolojik ve sosyal düşüncede baskın bir metafor hâline gelmiştir.

Mikroskopi alanındaki ilerlemeler biyoloji düşünce üzerinde çok derin etki bırakmıştır. 19. yüzyılın başlarında birkaç biyolog hücrenin önemini ortaya koymuştur. 1838 ve 1839'da, Schleiden ve Schwann, (1) organizmaların temel yapıtaşının hücre olduğu ve (2) tek tek her bir hücrenin yaşamın tüm özelliklerine sahip olduğu fikirlerini yaymaya başladılar ancak (3) tüm hücrelerin diğer hücrelerin bölünmesiyle oluştuğu fikrine karşı çıktılar. Robert Remak ve Rudolf Virchow'un çalışmaları sayesinde ise 1860'lara gelindiğinde biyologların çoğu hücre teorisi olarak bilinmeye başlanan bu teorinin üç ilkesini birden kabul etmeye başladılar.

Hücre teorisi ile birlikte biyologlar bağımsız organizmaları bağımsız hücrelerin birbirine bağlı birleşimleri olarak görmelerini getirdi. Güçlü mikroskoplar ve yeni boyama yöntemleri ile giderek büyüyen sitoloji dalında çalışan biliminsanları, tek bir hücrenin bile ilk mikroskop kullanan bilginlerin tanımladığı homojen sıvı dolu odacıklardan çok daha karmaşık yapılara sahip olduklarını buldular. Robert Brown 1831 yılında hücre çekirdeğini tanımladı ve 19. yüzyılın sonuna gelindiğinde biliminsanları hücrenin birçok temel yapıtaşını tanımlamışlardı: kromozomlar, sentrozomlar, mitokondri, kloroplastlar ve boyama yoluyla görünen diğer yapılar. Walther Flemming 1874 ile 1884 arasında mitoz bölünmenin farklı aşamalarını tanımlayarak, bunların boyama nedeniyle ortaya çıkmadığını aksine canlı hücrelerde olduğunu ve hücre bölünmeden ve yeni hücre oluşmadan hemen önce kromozomlarının sayısının ikiye katlandığını gösterdi. Hücre çoğalması ile ilgili çalışmaların çoğu August Weismann'ın kalıtım teorisinde toplandı. Weismann hücre çekirdeğini (özelikle de kromozomları) kalıtımı taşıyan yapıtaşı olarak tanımladı. Somatik hücreler ile eşey hücreler arasındaki farklılığı eşey hücrelerin kromozom sayısının yarıya düştüğü olarak belirleyerek mayoz kavramına giriş yaptı ve Hugo de Vries'in pangenezis teorisini kabul etti.. Weismannizm özelikle yeni deneysel embriyoloji alanında oldukça etkiliydi.

1850'lerin ortalarına gelindiğinde hastalık yapıcı miyasma teorisinin yerine artık tamamen hastalık yapıcı mikrop teorisi geçmiş ve mikroorganizmalar ile bunların diğer canlılar ile etkileşmeleri önemli ilgi görmeye başlamıştı. 1880'lerde bakteriyoloji özelikle Robert Koch'un çalışmalarıyla tutarlı bir bilim dalı olmaya başlamıştı. Koch, Petri kabı içinde, özel besleyiciler içeren agar plakaları üzerinde saf kültürler yetiştitme yöntemlerini geliştirdi. Uzun süredir inanılan canlı organizmaların cansız maddelerden oluşabileceği fikrine karşı Louis Pasteur bir dizi deney ile karşı çıktı. Bu sırada, Aristoteles ve Antik Yunan atomculardan beri süregelen vitalizme karşı mekanizma tartışmaları da yoğun şekilde sürmekteydi.

Kimyada, özellikle fermentasyon ve pütrefaksiyon gibi organik transformasyonlar bağlamında organik ve inorganik maddeler arasındaki farklar önemli konulardan biriydi. Aristoteles zamanından beri bunlar esas olarak biyolojik süreçler olarak kabul ediliyordu. Ancak Friedrich Wöhler, Justus Liebig ve organik kimyanın diğer öncüleri organik dünyanın fiziksel ve kimyasal yöntemlerle analiz edilebileceğini gösterdiler. Wöhler 1828 yılında organik madde olan ürenin yaşam içermeyen kimyasal yollarla elde edilebileceğini gösterdi ve vitalizme önemli bir darbe vurdu. 1833 yılında diyastaz ile başlamak üzere kimyasal transformasyonları etkileyebilecek olan hücre özütleri keşfedildi. 19. yüzyılın sonuna gelindiğinde enzim kavramı çok iyi yerleşmişti ama kimyasal kinetik denklemleri enzim tepkimelerine 20. yüzyılın başlarına kadar uygulanmamıştır.

Claude Bernard gibi fizyologlar canlıların kimyasal ve fiziksel işlevlerini deneysel yöntemlerle inceleyerek 1902 yılında sekretin adlı ilk hormonunun bulunmasının ardından hızla gelişen endokrinoloji'nin, biyomekaniğin ve beslenme ile sindirim çalışmalarının altyapısını hazırlamışlardır Hem tıp hem de biyoloji alanlarında deneysel fizyolojik yöntemlerin önemi ve çeşitliliği 19. yüzyılın ikinci yarısında oldukça büyüdü. Yaşam süreçleri