Tác phẩm "Về cấu trúc con người" của Vesalius nổi tiếng với những hình minh họa chính xác, tinh vi và đẹp mắt. Bên cạnh đó, các tư thế được vẽ cũng mang cả những ý nghĩa ẩn dụ.

Quá trình Phục hưng ở châu Âu đã làm tăng sự quan tâm đến cả lịch sử tự nhiên và sinh lý học thực nghiệm. Năm 1543, Andreas Vesalius đã đánh dấu kỷ nguyên hiện đại của y học phương Tây với chuyên luận giải phẫu người xuất sắc của ông là De humani corporis fabrica ("Về cấu trúc con người"), với kiến thức dựa trên việc mổ xẻ trực tiếp tử thi. Vesalius là người đầu tiên trong một loạt các nhà giải phẫu học đang dần thay thế chủ nghĩa kinh viện bằng chủ nghĩa kinh nghiệm trong sinh lý học và y học (tức là dựa vào thực nghiệm quan sát được hơn là uy quyền và lý luận trừu tượng của các tác phẩm kinh điển). Thông qua bộ môn thảo dược học, dược liệu cũng gián tiếp là nguồn gốc của chủ nghĩa kinh nghiệm trong nghiên cứu thực vật. Otto Brunfels, Hieronymousus Bock và Leonhart Fuchs đã viết nhiều về các loài thực vật hoang dại, khởi đầu của một cách tiếp cận dựa trên tự nhiên đối với toàn bộ thế giới thực vật.[30] Những cuốn bách khoa thư về thú (bestiary), một kiểu từ điển kết hợp cả những loài vật tự nhiên và những loài tưởng tượng (chẳng hạn như người cá, nhân sư), cũng trở nên tinh xảo hơn, đặc biệt là với các tác phẩm của William Turner, Pierre Belon, Guillaume Rondelet, Conrad Gessner và Ulisse Aldrovandi.[31]

Các họa sĩ như Albrecht Dürer và Leonardo da Vinci, thường làm việc với các nhà tự nhiên học, cũng quan tâm đến cơ thể của động vật và con người, nghiên cứu chi tiết về sinh lý học và đóng góp vào sự phát triển của kiến thức giải phẫu.[32] Các kiến thức xa xưa về thuật giả kim và ma thuật tự nhiên, đặc biệt là trong tác phẩm của Paracelsus, cũng đặt ra những đòi hỏi về kiến thức đối với thế giới sống. Những nhà giả kim đã bắt đầu nghiên cứu chất hữu cơ để phân tích hóa học và cũng bắt đầu tự do thí nghiệm với những liệu thuốc, cả hữu cơ và vô cơ.[33] Đây là một phần của sự chuyển dịch lớn hơn trong cách nhìn thế giới (với sự trỗi dậy của triết học cơ học) và vẫn tiếp tục đến tận thế kỷ 17, phép ẩn dụ truyền thống tự nhiên là sinh vật dần được thay thế bằng tự nhiên là cỗ máy.[34]

Tiến bộ trong thế kỷ 17 và 18

Hệ thống hóa, đặt tên và phân loại lịch sử tự nhiên là mối quan tâm hàng đầu trong suốt phần lớn thế kỷ 17 và 18. Carl Linnaeus đã xuất bản một sách phân loại cơ bản cho thế giới tự nhiên vào năm 1735 (các biến thể đã được sử dụng kể từ đó). Đến những năm 1750, ông đã giới thiệu tên khoa học (danh pháp hai phần) cho tất cả các loài của mình.[35] Trong khi Linnaeus quan niệm các loài là một phần không thay đổi của một hệ thống phân cấp được thiết kế sẵn (hãy nhớ về Thang sinh vật đã được đề cập ở trên), thì nhà tự nhiên học vĩ đại khác của thế kỷ 18, Georges-Louis Leclerc, Bá tước Buffon, coi các loài là khái niệm do con người đặt ra và có thể thay đổi, thậm chí ông còn gợi ý về tổ tiên chung. Mặc dù phản đối thuyết tiến hóa, Buffon với tư tưởng Biến hình luận là một nhân vật chủ chốt trong lịch sử tư tưởng tiến hóa; công trình của ông sẽ ảnh hưởng đến các lý thuyết tiến hóa của cả Lamarck và Darwin.[36]

Việc phát hiện và mô tả các loài mới cũng như sưu tập mẫu vật trở thành niềm đam mê của các quý ông khoa học và là một cơ hội sinh lợi (dù đầy mạo hiểm) cho các doanh nhân. Nhiều nhà tự nhiên học đã gan dạ chu du khắp thế giới để tìm kiếm kiến thức khoa học và phiêu lưu.[37]

Những Phòng Tò mò, chẳng hạn như căn phòng này ở Ole Worm, là trung tâm kiến thức sinh học trong thời kỳ đầu hiện đại, là nơi tập trung của những sinh vật kỳ lạ của khắp mọi nơi trên thế giới. Trước Thời đại Khám phá, các nhà tự nhiên không thể tưởng tượng ra sự đa dạng khổng lồ trong sinh giới.

Mở rộng công trình của Vesalius thành các thí nghiệm trên những cơ thể còn sống (của cả người và động vật), William Harvey và các nhà triết học tự nhiên khác đã tìm hiểu vai trò của máu, tĩnh mạch và động mạch. Cuốn sách của Harvey, De motu cordis (1628) là khởi đầu cho việc chấm dứt uy quyền của Galen trong y học. Cùng với các nghiên cứu về chuyển hóa của Santorio Santorio, cuốn sách là hình mẫu có ảnh hưởng trong cách tiếp cận định lượng đối với sinh lý học.[38]

Đầu thế kỷ 17, qua kính hiển vi, một thế giới hoàn toàn mới được hé mở trong sinh học. Một vài những thợ làm mắt kính và các nhà triết học tự nhiên đã tạo ra kính hiển vi thô từ cuối thế kỷ 16, Robert Hooke đã công bố cuốn Vi thể (Micrographia) dựa trên các quan sát bằng kính hiển vi kép của chính ông vào năm 1665. Nhưng phải đến khi Antonie van Leeuwenhoek bắt đầu cải tiến mạnh mẽ kính hiển vi vào những thập niên 1670 với độ phóng đại đạt tới 200 lần chỉ với một thấu kính duy nhất thì các học giả mới phát hiện ra tinh trùng, vi khuẩn, các loài trùng cỏ và khám phá sự kỳ diệu và đa dạng của thế giới vi mô. Những nghiên cứu tương tự của Jan Swammerdam cũng thu hút những mối quan tâm về côn trùng học; ông cũng xây dựng các kỹ thuật cơ bản của phương pháp giải phẫu và nhuộm vi mô.[39]

Trong cuốn Vi thể, Robert Hooke đã đặt ra thuật ngữ "tế bào" cho các cấu trúc sinh học được nhìn thấy trên vỏ cây này, nhưng mãi đến thế kỷ 19, các nhà khoa học mới coi tế bào là đơn vị cơ bản chung của sự sống.

Trong khi thế giới vi mô đang mở rộng, thế giới vĩ mô lại dần thu hẹp lại. Các nhà thực vật học như John Ray đã làm việc để tích hợp vô số các sinh vật mới được phát hiện từ khắp nơi trên thế giới vào một hệ thống phân loại thống nhất và một quan điểm thần học mạch lạc (thần học tự nhiên).[40] Tranh luận về trận Đại hồng thủy trong sách Sáng thế đã thúc đẩy cho sự phát triển của cổ sinh vật học. Năm 1669, Nicholas Steno đã xuất bản một bài tiểu luận về việc những tàn dư của các sinh vật sống có thể bị kẹt trong các lớp trầm tích và bị khoáng hóa để tạo nên hóa thạch. Mặc dù các quan điểm về hóa thạch của Steno khá phổ biến và được tranh luận nhiều giữa các nhà triết học tự nhiên, ý tưởng cho rằng tất cả hóa thạch có nguồn gốc hữu cơ không đạt được sự đồng thuận trong giới học thuật cho đến tận cuối thế kỷ 18 do những tranh luận về triết học và thần học với các vấn đề như tuổi của Trái Đất và sự tuyệt chủng.[41]