ünyadaki olayların gözlemlenmesi, açıklanması ve öngörüsünü vurgulayan, bilim adamları tarafından yapılan, doğal dünya hakkındaki deneysel, kuramsal ve pratik bilginin bir bütünüdür. Buna karşılık, bilim tarihçiliği bilim tarihçileri tarafından kullanılan yöntemleri inceler.

İngilizce bir kelime olan ve ilk defa William Whewel tarafından kullanılan scientist (bilim insanı) tanımlaması nispeten yakın bir tarih olan 19. yüzyılda kullanılmaya başlanmıştır. Daha önce, araştırmacılar kendilerini "doğal filozoflar" olarak adlandırıyorlardı. Doğal dünyaya ilişkin deneysel araştırmalar klasik antik çağlardan beri (örneğin Thales ve Aristo tarafından) tanımlanmış , bilimsel yöntem ortaçağdan beri kullanılmıştır (örneğin, İbn-i Heysem ve Roger Bacon tarafından). Modern bilim, modern çağın erken döneminde, özellikle bilimsel devrim dönemine denk gelen 16. ve 17. yüzyıl Avrupa'sında gelişmeye başladı. Bilim tarihçileri geleneksel olarak, bilimi, daha önceki araştırmaları da içerecek şekilde yeterince geniş olarak tanımlamıştı.

18. yüzyıldan 20. yüzyılın sonlarına kadar bilim tarihi, özellikle de fizik ve biyoloji bilimlerinin çoğu için gerçek teorilerin yanlış inançların yerini aldığı, ilerici bir anlatımla sunulmuştur. Thomas Kuhn'unki gibi daha yeni tarihsel yorumlar, bilim tarihini paradigmalar veya kavramsal sistemler açısından, entelektüel, kültürel, ekonomik ve politik eğilimlerden oluşan daha geniş bir çerçeve içerisinde tasvir etme eğilimindedir.

Tarih öncesi çağlarda, teknik ve bilgi nesilden nesile sözlü bir gelenekle geçmiştir. Örneğin, mısırın tarım için Meksika’nın güneyinde evcilleştirilmesi, yaklaşık 9000 yıl önceye,yazım sistemlerinin geliştirilmesinden daha eski bir tarihe dayanmaktadır. Benzer şekilde, arkeolojik kanıtlar, yazının icadından önceki toplumlarda astronomik bilginin geliştiğini gösterir. Yazının gelişimi, bilginin muhafaza edilmesine ve çok daha doğru bir şekilde nesiden nesile iletilmesine olanak tanımıştır.

Birçok eski uygarlık sistematik olarak astronomik gözlemler yapıp bilgi toplamıştır. Gezegenler ve yıldızların maddi doğası üzerine kafa yormak yerine, çoğunlukla toplum üzerindeki etkilerinden çıkarım yaparak gök cisimlerinin nispi konumlarını şema haline getirmişlerdir. Bu, antik araştırmacıların, her şeyin birbirine bağlı olduğunu varsayarak, genel olarak bütüncül bir sezgi kullandıklarını, buna karşılık modern bilimin böyle kavramsal sıçramaları reddettiğini göstermektedir

Bu dönemde insan fizyolojisi ile ilgili temel bilgiler bazı bölgelerde biliniyordu ve birkaç medeniyette simya ile ilgili uygulamalar yapılmaktaydı. Makroskopik flora ve faunayla ilgili kayda değer gözlemler yapılmıştır.

Eski Mısır, astronomi, matematik ve tıp alanlarında önemli ilerlemeler kaydetmiştir. Mısır’da geometrinin gelişmesinin temel sebebi, tarım arazilerinin düzenini ve mülkiyetini, her yıl Nil nehrinde gerçekleşen taşkınlardan korumak için yapılan araştırmalardır. 3-4-5 dik üçgen ve diğer geometri kuralları doğrusal yapılarla birlikte Mısır mimarisindeki sütün ve lento’ların yapımında kullanılmıştır. Mısır ayrıca Akdeniz'in çoğu için bir simya araştırma merkezi olmuştur. Günümüze ulaşmış olan ilk tıbbi belgelerden biri olan Edwin Smith papirüs'ü muhtemelen beyni tarif eden analiz etmeye çalışan en eski belgedir: bu modern sinirbilimin başlangıcı olarak görülebilir.Mısır tıbbı bazı etkili uygulamalara sahip olmasına rağmen genellikle etkisiz ve bazen de zararlıydı. Örneğin tıbbi tarihçiler, eski Mısır ilaçbiliminin büyük ölçüde etkisiz olduğuna inanmaktadırlar. Buna rağmen, hastalığın tedavisinde inceleme, tanı, tedavi ve öngörü bileşenlerini kullanmışlardır . G. E. R. Lloyd’a göre bunlar temel deneysel bilim yöntemiyle paralellik sergiler ve bu metodolojinin geliştirilmesinde önemli rol oynamıştır. Ayrıca Ebers papirüs’ü (M.Ö. 1550) geleneksel deneyciliğin bulgularını da içerir.
Sümer'deki (şimdiki Irak'ta) Mezopotamya halkı, MÖ 3500'lerin başlangıcından itibaren,dünya ile ilgili bazı gözlemlerini sayısal verilerle kaydetmeye başlamışlardı. Fakat gözlem ve ölçümlerin bilimsel yasaları aydınlatmaktan başka amaçlar için yapıldığı görülmektedir. Pisagor yasalarının somut bir örneği M.Ö. 18. yüzyılda kaydedilmiştir: M.Ö. 1900 tarihli Mezopotamya çivi yazımı tableti olan Plimpton 322, bazı Pisagor üçlülerini (3,4,5) kaydeder (5,12,13). ..., Pisagor teoreminin soyut bir formülasyonu yok iken, Pisagor’dan yaklaşık 1000 yıl önce kaydetmişlerdir.

Babil astronomisinde, yıldızların, gezegenlerin ve ay'ın ait hareketlerin kayıtlarının, yazarların yarattığı binlerce kil tablet üzerinde kaldı. Mezopotamya'daki ilk bilim adamları tarafından belirlenen güneş ayı ve ay ayı gibi astronomik dönemler, günümüzde halen yaygın bir şekilde batılı takvimlerde kullanılmaktadır. Bu verileri kullanarak, gün ışığının yıl boyunca değişen uzunluğunu hesaplamak ve Güneş, Ay ve gezegenlerin ayrıca tutulmaların görünümlerini ve kaybolmalarını tahmin etmek için aritmetik yöntemler geliştirdiler. Bir Keldani astronomu ve matematikçisi olan Kidinnu gibi yalnızca birkaç gökbilimcinin ismi bilinmektedir. Kidinnu’nun çalışmaları, günümüzdeki takvimlerde kullanılan güneş yılı için önemlidir. Babil astronomisi "astronomik olayların detaylı bir matematiksel tanımını yapmaya yönelik ilk ve oldukça başarılı girişim" idi. Tarihçi A.Aaboe'ya göre, "Helen dünyasında, Hindistan'da, İslam dünyasında ve Batı'da yapılmış olan birçok bilimsel astronomi çalşması, belirleyici ve temel yollarla Babil astronomisine bağlıdır.
Klasik Antik dönemde, evrenin işleyişine ilişkin sorgunun izleri, hem güvenilir bir takvim oluşturma hem de çeşitli hastalıkların nasıl tedavi edileceğinin belirlenmesi gibi doğal amaçlar için yapılan araştırmalarda ,doğa felsefesi olarak bilinen soyut araştırmalarda görülmektedir. Kendilerini, doğa filozofu, yetenek gerektiren bir mesleğin uygulayıcıları (örneğin doktorlar) veya dini bir geleneğin takipçileri olarak (örneğin, tapınak şifacıları)olarak düşünen eski insanlar ilk bilim insanları olarak kabul edilebilir.

Öncü Sokratlar olarak bilinen ilk Yunan filozoflar komşularının mitlerinde bulunan soruna değerli yanıtlar sundular: "Yaşadığımız düzeni nasıl buldular?”. "bilimin babası" olarak kabul edilen, Sokratizm öncesi filozofu olan, Thales (M.Ö. 640-546) doğal olaylar için doğaüstü olmayan açıklamaları öne süren ilk kişi oldu. Örneğin, karalar suyun üzerinde yüzmektedir ve depremler tanrı Poseidon’dan değil karaların üzerinde yüzdüğü bu suların çalkalanmasından meydana geldiğini ileri sürer. Thales'in öğrencisi olan Samos’un Pisagor’u, kendi için matematiği araştıran Pisagor okulunu kurdu ve Dünyanın küresel şeklinde olduğunu öne süren ilk kişi oldu. Leucippus (M.Ö. 5. yüzyıl) tüm maddenin atomlar olarak bölünemeyen, tekrar etmeyen birimlerden oluştuğu teorisi ile atomculuk kavramını başlattı. Bu teori, öncelikle öğrecisi Demokritos daha sonra da Epikür tarafından oldukça genişletilmiştir.

Ardından, Plato ve Aristo, daha sonraki doğa araştırmalarını da şekillendirecek olan, doğa felsefesi hakkında ilk sistematik tartışmaları yaptılar. Tümdengelimli akıl yürütmenin geliştirilmesi, daha sonraki bilimsel araştırmalar için yararlı olmuştur. Plato, M.Ö. 387'de sloganı "Geometri bilmeyen giremez" olan ve birçok önemli filozof yetiştiren Platon Akademisini kurdu. Plato'nun öğrencisi Aristo, deneyciliği ve evrensel hakikatlere gözlem ve tümevarım yoluyla ulaşabileceği fikrini ortaya koyarak bilimsel yöntemin temellerini attı. Aristo, biyolojik nedensellik ve yaşam çeşitliliğine odaklanan ve denesel nitelikte birçok biyolojik yazı da üretti. Özellikle, çevresindeki bitki ve hayvanların alışkanlıkları ve özellikleriyle ilgili birçok gözlem yaptı ve 540'dan fazla hayvan türünü sınıflandırarak en az 50 tanesini inceledi. Aristo’nun çalışmaları İslam dönemi ve Avrupa biliminini etkiledi ve sonunda Bilimsel Devrim'de yerini aldılar.

Bu dönem, özellikle anatomi, zooloji, botanik, madenbilimi, coğrafya, matematik ve astronomi alanlarındaki gerçek bilgide önemli ilerlemeler içeriyordu. Bunlar arasında özellikle değişim sorunu ve nedenleri ile ilgili olan bazı bilimsel problemlerin öneminin farkındalığı, matematiğin doğal olaylara uygulanması ve deneysel araştırma yapmanın metodolojik öneminin tanınması bulunmaktadır. Helenistik çağda bilginler, bilimsel araştırmalarında önce Yunan düşüncesinde geliştirilen ilkeler olan matematik uygulamaları ve kasıtlı deneysel araştırma yöntemlerini kullanmışlardır. Böylece,eski Yunan ve Helenistik filozoflardan Ortaçağ Müslüman filozof ve bilim adamlarına uzanan bu kesintisiz bilim çizgisi Avrupa Rönesansı ve Aydınlanmasına, günümüzün seküler bilimlerinin ortaya çıkmasına yol açtı. Sebep ve sorgulama ilkeleri antik Yunanlarla değil sokratik yöntem fikrinin olumasıyla birlikte başladı ve geometri, mantık ve doğa bilimlerindeki büyük ilerlemeleri de beraberinde getirdi. Swansea Üniversitesi'nde Profesör olan Benjamin Farrington'a göre:

ve yine:

Coğrafya uzmanı Eratosthenes Dünya'nın çevresini doğru olarak hesaplarken, gökbilimci Samos’un Aristarchus’u, güneş sisteminin helyosentrik (güneş merkezli) bir modelini öne süren ilk kişi oldu. Hipparkos (M.Ö. 190 - c.120) ilk sistematik yıldız kataloğunu üretmiştir. Helenistik dönemde astronomi ve mühendislikteki başarı düzeyi, gezegenlerin konumunu hesaplamak için kullanılan bir analog bilgisayar olan Antikythera mekanizması (M.Ö. 150-100) tarafından etkileyici bir şekilde ortaya koyulmaktadr. Benzer karmaşıklığa sahip teknolojik eserler, mekanik astronomik saatlerin Avrupa'da ortaya çıktığı 14. yüzyıla kadar bir daha ortaya çıkmadı.

Helenistik Mısır'da, Öklid matematiksel titreşimin temellerini attı ve bugüne kadar yazılmış en ilham verici ders kitabı olan ve günümüzde hala kullanılan Elements isimli eserinde, önerme, teori ve kanıt kavramlarını tanıttı. Tüm zamanların en büyük matematikçilerinden biri olarak kabul edilen Arşimed, bir sonsuz serinin toplamı ile bir parabolün yayı altındaki alanı hesaplamak için exhaustion yöntemini kullandı ayrıca Pi sayıs