В математике важнейшую роль играла петербургская школа во главе с Чебышевым, от которой отпочковались в дальнейшем численно небольшие научные школы в Харькове, Варшаве, Казани. Главные труды Чебышева и его школы (А. Н. Коркин, Е. И. Золотарев, А. А. Марков, А. М. Ляпунов, Г. Ф. Вороной. Н. Я. Сонин, А. Н. Крылов, В. А. Стеклов и др.) относятся к теории вероятностей, теории чисел, математическому анализу и математической физике. В связи со своими исследованиями по теории шарнирных механизмов Чебышев создал теорию наилучшего приближения функций. В теории вероятностей Марков заложил основы теории случайных (марковских) процессов. Ляпунов, независимо от А. Пуанкаре, развил теорию устойчивости систем и качественную теорию дифференциальных уравнений. Ученику Ляпунова Стеклову принадлежат крупные результаты в математической физике, а ученику Коркина Крылову — в прикладной математике, теоретической механике, теории корабля. В Казани разрабатывалась неевклидова геометрия. Значительные результаты в аналитической теории дифференциальных уравнений и её приложений к теории гироскопа получила С. В. Ковалевская. В начале 20 в. Д. Ф. Егоров и Н. Н. Лузин основали московскую школу теории функций действительного переменного.
В области прикладной математики и механики крупнейшим вкладом явились труды Н. Е. Жуковского и С. А. Чаплыгина по гидроаэродинамике, а также И. В. Мещерского по механике тел переменной массы. Важное значение имели работы Н. В. Маиевского, положившие начало новому этапу в развитии баллистики. Классический труд по гидродинамической теории смазки принадлежит Н. П. Петрову. Одним из основателей теории автоматического регулирования был И. А. Вышнеградский. Основополагающие труды по теории космонавтики и космических аппаратов созданы К. Э. Циолковским.
Труды сравнительно немногочисленных русских физиков последней трети 19 в. находились в русле новых течений в мировой науке, начало которых отмечено созданием теории электромагнитного поля. Одним из первых физиков в мире, высоко оценивших теорию поля, был А. Г. Столетов, организовавший физическую лабораторию при Московском университете. Ему принадлежат работы по магнетизму, фотоэффекту, электрическому разряду в газах. П. Н. Лебедев выполнил классические работы по давлению света на твёрдые тела и газы, получившие мировое признание; он создал в Московском университете школу физиков. Н. А. Умов в 1874 открыл закон распространения энергии в упругих телах. В. А. Михельсон в 1887 применил методы статистической физики к теории излучения. Крупных успехов достигла русская кристаллография благодаря трудам Е. С. Федорова и Г. В. Вульфа.
В астрономии с 70-х гг. наряду с традиционной астрометрией начинает развиваться астрофизика. В Пулкове работали Ф. А. Бредихин, автор трудов по теории кометных орбит и спектрам комет и туманностей, и его ученик А. А. Белопольский. В Москве В. К. Церасский выполнил ряд работ по астрофотометрии.
В науках о Земле значительные исследования геологической истории Европейской России проведены А. П. Карпинским. Эволюционную палеонтологию и биостратиграфию развивали А. П. Павлов, Н. И. Андрусов и др. В петрографии выделялись труды Ф. Ю. Левинсон-Лессинга. В 90-х гг. в Московском университете благодаря деятельности В. И. Вернадского возник крупный центр минералогии. К этому времени относится начало разносторонней деятельности Д. Н. Анучина.
Высокого уровня развития достигли русская океанография (С. О. Макаров, Ю. М. Шокальский, Н. М. Книпович), климатология (А. И. Воейков). В 1900 выпущен «Климатологический атлас Российской империи». К началу 20 в. относятся работы Б. Б. Голицына, одного из основателей сейсмологии. Во 2-й половине 19 в. была проведена большая работа по изучению территорий России и непосредственно с ней граничивших стран. Ведущую роль в организации экспедиций в этот период играло Русское географическое общество. Начало экспедициям в Центральную Азию было положено П. П. Семёновым-Тян-Шанским в 1856—57; затем последовали экспедиции Н. М. Пржевальского и В. Н. Роборовского, Г. Н. Потанина, М. В. Певцова, Г. Е. Грумм-Гржимайло, П. К. Козлова и др. Известны геологические исследования Сибири П. А. Кропоткина, И. Д. Черского и В. А. Обручева; В. Л. Комаров исследовал флору Средней Азии, Дальнего Востока (Камчатки), Кореи, Маньчжурии и Китая. Продолжались исследования Арктики (экспедиции С. О. Макарова, Э. В. Толля, Г. Я. Седова, Г. В. Брусилова, Б. А. Вилькицкого). Большой вклад в науку внесли путешествия Н. Н. Миклухо-Маклая на Новую Гвинею и другие острова Тихого океана.
В 1882 создан Геологический комитет, возглавивший геологические исследования в разных частях страны и поставивший задачу составления общей геологической карты России в 10-вёрстном масштабе. Однако до 1917 10-вёрстной съёмкой было охвачено всего лишь 10% территории. Успешно изучались Урал (Карпинский и Ф. Н. Чернышев), Донбасс (Л. И. Лугугин), Средняя Азия (И. В. Мушкетов). В 90-х гг. начались первые в России планомерные палеонтологические раскопки (В. П. Амалицкий).
Развивались технические науки. К. П. Поленов разработал и внедрил «русское бессемерование» (1875—76). Вышли классические труды основоположника металлографии и теории термической обработки стали Д. К. Чернова. Одним из величайших открытий в области техники явилось изобретение радио А. С. Поповым (1895). Русские учёные заняли одно из ведущих мест в электротехнике. А. Н. Лодыгин изобрёл лампу накаливания (1872), П. Н. Яблочков — первую практически применимую дуговую лампу (1876), Н. Н. Бенардос и Н. Г. Славянов разработали основные способы дуговой электросварки (1882—88). Работы М. О. Доливо-Добровольского оказали существенное влияние на развитие техники трёхфазного тока. Большой вклад в развитие ж.-д. транспорта внесли А. П. Бородин, Н. Н. Митинский и др. С именем механика и теплотехника В. И. Калашникова связано развитие судостроения и судоходства. В области морского кораблестроения работали А. Н. Крылов, С. О. Макаров, И. Г. Бубнов, Н. П. Налетов; по строительству морских гидротехнических сооружений — М. С. Герсеванов. Значительное развитие получило транспортное строительство — проходка ж.-д. тоннелей, сооружение мостов и др. (Д. И. Журавский, Н. А. Белелюбский, Л. Ф. Николаи, Ф. С. Ясинский). Во многих областях механики и машиностроения работали К. А. Тиме, К. А. Зворыкин, В. Л. Кирпичёв и др.; техники и строительства — Н. П. Петров, В. Г. Шухов. Основы горной механики разрабатывал М. М. Протодьяконов, новые методы проектирования рудников — Б. И. Бокий и др.; проблемы бурения глубоких скважин — С. Г. Войслав, И. Н. Глушков. В военной технике среди теоретических и конструкторских работ по созданию нарезных орудий важное место занимали исследования Н. В. Маиевского, В. С. Барановского, Н. А. Забудского, А. В. Гадолина. Стрелковое и минно-торпедное вооружение, артиллерийские приборы создавали С. И. Мосин, М. М. Боресков, В. Н. Михаловский, А. П. Давыдов. Зарождалась авиация. В 1881 А. Ф. Можайский получил патент на «воздухолетательный снаряд» с паровым двигателем. В 1909—14 был создан ряд оригинальных конструкций самолётов (Я. М. Гаккель, Д. П. Григорович, И. И. Сикорский).
В 18 в. и отчасти в 1-й половине 19 в. ведущее место среди научных учреждений занимала АН, но уже в 60-х гг. большее значение приобрели университеты. Однако их число было невелико (на территории современной РСФСР в 1917 — 7 университетов). Важной формой научной работы были съезды естествоиспытателей и врачей (13 съездов за 1867—1913). Съезды стимулировали дальнейший рост числа формировавшихся главным образом при университетах научных обществ. Универсальные общества естествоиспытателей возникли в Петербурге (1868), Казани (1869), Томске (1889). В Москве было основано общество любителей естествознания, антропологии и этнографии (1863). Создавались и специальные научные общества: Русское химическое (1868, Петербург), Русское физическое (1872, там же; в 1878 эти два общества объединились в Русское физико-химическое общество), Русское техническое (1866, Петербург), Московское математическое (1867), Московско-Петербургское медицинское (1883), любителей физики и астрономии в Нижнем Новгороде (1888), Казанское физико-математическое (1890) и др. Сеть специальных научных учреждений росла медленно. В 70-х гг. появились первые морские биологические станции: Севастопольская (1871), Соловецкая (1881). В 1915 при АН по инициативе группы академиков во главе с В. И. Вернадским образована Комиссия по изучению производительных сил России (КЕПС). Научные учреждения России оставались организационно разрозненными и недостаточно оборудованными. Лишь единицы из них приближались по типу к научно-исследовательскому институту. В составе АН насчитывалось 5 лабораторий, 5 музеев, 14 комитетов и комиссий, несколько обсерваторий. Во всех научных подразделениях АН было занято 109 научных сотрудников и около 180 вспомогательных и других работников.
До Великой Октябрьской социалистической революции на территории современной РСФСР имелось 231 научное учреждение, в основном научные общества, лаборатории, экспериментальные станции и т.п. На территории восточнее Урала было всего 20 научных учреждений. В России насчитывалось около 12 тыс. научных работников.
