Крупнейшим завоеванием 19 в. было эволюционное учение Ч. Дарвина, изложенное им в труде «Происхождение видов...» (1859). Он дал опирающееся на огромное число фактов из биогеографии, палеонтологии, сравнительной анатомии и эмбриологии доказательство эволюционного развития органического мира. Предложив теорию естественного отбора, он раскрыл и механизм органической эволюции, дал причинный анализ движущих факторов эволюционного процесса. Огромное философское значение дарвинизма состояло и в материалистическом разрешении проблемы органической целесообразности. Учение Дарвина не только окончательно изгнало из Б. креационизм и телеологию, но и внедрило в мышление биологов исторический подход ко всем явлениям жизни. Это способствовало разработке ряда новых направлений в Б.: эволюционной сравнительной анатомии (немецкий учёный К. Гегенбаур), эволюционной эмбриологии (русские биологи А. О. Ковалевский, И. И. Мечников), эволюционной палеонтологии (В. О. Ковалевский). На этой же основе был сформулирован биогенетический закон (немецкие учёные Ф. Мюллер, 1864; Э. Геккель, 1866 и позже) и разработан ряд филогенетических обобщений. С развитием эволюционного учения огромный размах получили зоо- и фитогеография (английские учёные Ф. Склетер и А. Уоллес, русские — Н. А. Северцов и А. Н. Бекетов, немецкие — А. Гризебах и А. Энглер, датский — Э. Варминг и мн. др.). Большую роль в пропаганде дарвинизма сыграли в Англии Т. Гексли, в Германии Э. Геккель. В России крупнейший вклад в пропаганду и развитие эволюционной теории внесли К. А. Тимирязев и целая плеяда сравнительных анатомов, эмбриологов, палеонтологов (М. А. Мензбир, В. М. Шимкевич, А. Н. Северцов, П. П. Сушкин, М. В. Павлова, А. А. Борисяк и др.).
Учение о естественном отборе быстро получило самое широкое признание. Однако невыясненность закономерностей изменчивости и наследственности служила источником расхождений в толковании факторов эволюции. К концу 19 в. возникли различные направления неодарвинизма, неоламаркизма, а также откровенно антиэволюционистские тенденции.
Попытки раскрыть механизмы наследственности умозрительно (английские учёные Г. Спенсер, 1864, Ч. Дарвин, 1868, Ф. Гальтон, 1875; немецкие — К. Негели, 1884, А. Вейсман, 1883—92; голландский — Х. де Фриз, 1889, и мн. др.) не увенчались успехом. Лишь Г. Менделю удалось установить основные закономерности наследственности (1865). Однако его работа осталась незамеченной, и лишь успехи цитологии и эмбриологии подготовили её переоткрытие (1900) и правильную оценку в 20 в. Первым шагом в этом направлении было раскрытие тонких процессов распределения хромосом при клеточном делении — митозе (французский биолог А. Шнейдер, 1873; русский — И. Д. Чистяков, 1874; польский — Э. Страсбургер, 1875; немецкий — В. Флемминг, 1882, и др.). Далее были выяснены процессы оплодотворения, созревания гамет и явление редукции хромосом (см. Мейоз) сначала у животных (немецкий биолог О. Гертвиг, 1875; бельгийский — Э. ван Бенеден, 1875—1884; немецкий — Т. Бовери, 1887—1888), а затем и у растений (русский — И. Н. Горожанкин, 1880—1883; русский — С. Г. Навашин, 1898; французский — Л. Гиньяр, 1899).
В 80-х гг. 19 в. большое развитие получила экспериментальная эмбриология, названная первоначально «механикой развития» (немецкий эмбриолог В. Ру, 1883 и позже). Выяснение роли внешних и внутренних факторов в развитии, а также взаимоотношения частей зародыша привело вскоре к большим теоретическим спорам и частично к возрождению витализма (немецкий биолог Х. Дриш и др.).
20 век характеризуется развитием новых биологических дисциплин и подъёмом исследований в «классических» отраслях Б., в том числе на основе дальнейшей специализации или интеграции старых разделов. Особенно интенсивно развиваются в 20 веке генетика, цитология, физиология животных и растений, биохимия, эмбриология, эволюционное учение, экология, учение о биосфере, а также микробиология, вирусология, паразитология и многие другие отрасли Б.
Отправным пунктом развития генетики стал менделизм, подкрепленный рядом обобщений, в том числе мутационной теорией голландского учёного Х. де Фриза (1901—03), сыгравшей, несмотря на ошибочность многих положений, важную роль в подготовке синтеза генетики и теории эволюции. Были разработаны понятия ген, генотип, фенотип (датский учёный В. Иогансен, 1909), обоснована хромосомная теория наследственности (американские учёные Т. Х. Морган, А. Стёртевант, Г. Дж. Мёллер, К. Бриджес и др.). Важное методологическое значение приобрёл вопрос о причинах возникновения наследственных изменений — мутаций. Доказательства влияния на мутационный процесс физических, а затем и химических факторов (русские учёные Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов, 1925, В. В. Сахаров, 1932, и др. и особенно американские учёные Г. Дж. Мёллер, 1927, Л. Стедлер, 1928, и др.) окончательно опровергли автогенетические концепции (см. Автогенез) генетиков, подчёркивавших самопроизвольный характер возникновения мутаций, и твёрдо обосновали материалистическую трактовку мутагенеза.
Биохимическая природа генов и матричный принцип их воспроизведения сначала постулировались чисто теоретически в форме представления о «наследственных молекулах» (Н. К. Кольцов, 1927 и позже). В дальнейшем с помощью явлений трансдукции и трансформации у микроорганизмов удалось доказать, что носителями генетической информации являются нити дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), заключённые в хромосомах (1944). Эти открытия положили начало молекулярной генетике. Выяснение структуры молекул ДНК (американский учёный Дж. Уотсон и английский — Ф. Крик, 1953) и разработка методов их выделения из вирусов и бактерий позволили добиться синтеза ДНК in vitro на основе ДНК фага. Оказалось, что синтезированная ДНК обладает такой же инфекционностью, как и исходная ДНК фага (американский учёный А. Корнберг, 1967).
На основе внедрения в Б. методов физики, химии, математики и др., а также успехов в области познания структуры белков, закономерностей их синтеза, передачи и осуществления наследственных факторов расширяется круг исследований на молекулярном уровне. Расшифрована последовательность расположения аминокислот свыше чем в 200 белках, выяснены их вторичная структура и способ укладки полипептидных нитей в молекуле белка. На гигантских хромосомах из клеток слюнной железы дрозофилы была доказана нуклеопротеидная структура хромосом. Удалось очистить вирус табачной мозаики, показав нуклеопротеидную структуру вирусов и фагов.
Науки, изучающие индивидуальное развитие организмов, также добились значительных успехов: разработаны методы экспериментального партеногенеза и андрогенеза, изучена детерминация развития частей и органов зародыша [учения о «градиентах» (американский учёный Ч. Чайлд, 1915 и позже), об «организаторах» (немецкий — Х. Шпеман, 1921 и позже)], заложены основы сравнительно-эмбриологического направления в Б. развития (русский — Д. П. Филатов). Важные достижения имеются в регуляции процессов восстановления тканей и органов (см. Регенерация) и их пересадке (см. Трансплантация), что имеет большое значение для восстановительной хирургии. Глубже изучены иммунология групп крови, свойства и структура антител, вырабатываемых организмом в ответ на вторжение антигенов.
Значительные успехи достигнуты в физиологии и биохимии животных: учение об условных рефлексах, разработанное И. П. Павловым; бурное развитие нейрофизиологии; изучение физиологии и биохимии мышечного сокращения; выделение и всестороннее исследование ферментов, определяющих направление и скорость различных процессов биосинтеза, и осуществление с их помощью синтеза гормонов (инсулин и др.), витаминов, ферментов (рибонуклеаза и др.) и иных биологически активных веществ. Физиология растений добилась успехов в познании химии фотосинтеза, в изучении участвующих в нём пигментов и прежде всего хлорофилла, который удалось искусственно синтезировать. Есть успехи в изучении роста и развития растений, например выделены и частично синтезированы некоторые гормоны роста (ауксины, гиббереллины).
Многие исследования, в том числе и советских биологов, имели не только теоретические, но и важное прикладное значение, например для медицины или сельского хозяйства. Таковы учение о трансмиссивных заболеваниях и природной очаговости Е. Н. Павловского, капитальные труды по паразитологии В. А. Догеля, В. Н. Беклемишева и К. И. Скрябина, закон гомологических рядов в наследственной изменчивости и учение о центрах происхождения культурных растений Н. И. Вавилова и мн. др.
