No século VI a.C., produziu-se um salto qualitativo no progresso de todos os campos do saber, com o florescimento da cultura na Grécia. Por meio da pesquisa e da dedução pretenderam os gregos chegar ao conhecimento do mundo e das leis que o regem, numa atitude que constitui a origem da ciência ocidental. Em alguns dos sistemas globais então imaginados, já se percebia uma atitude evolucionista, pois sustentavam que os seres vivos se haviam formado a partir da matéria inanimada. Para Tales de Mileto, tal formação se originava da condensação da água. Anaximandro, um de seus discípulos, acreditava que os primeiros seres vivos tinham sido os peixes, formados a partir de lama, os quais, ao abandonarem a água, teriam iniciado o desenvolvimento dos outros animais.

A escola pitagórica fez importantes estudos anatômicos: Alcmeon de Crotona, um de seus membros, situou no cérebro a sede do intelecto e realizou os primeiros estudos sobre embriões. Na ilha de Cós, onde viveu Hipócrates, considerado o fundador da medicina ocidental, criou-se uma importante escola médica, no século V a.C.

Aristóteles, que viveu no século IV a.C., tem importância especial, dada a influência que suas idéias exerceram mais tarde na Europa. Coube-lhe formular o primeiro sistema de classificação dos animais, os quais dividiu em animais de sangue e animais sem sangue (em linhas gerais, correspondem aos atuais vertebrados e invertebrados). Ainda se consideram válidas algumas de suas afirmações, como a da existência de órgãos homólogos (que se apresentam em diferentes espécies de organismos e que foram herdados de um ancestral comum) e órgãos análogos (que se apresentam em diferentes espécies de organismos e têm função similar). Outra constatação de Aristóteles ainda vigente no conhecimento biológico é a da adaptação estrutural e funcional dos seres vivos ao meio.

Teofrasto, discípulo de Aristóteles, deteve-se mais no estudo das plantas: ocupou-se de sua sistemática, já que agrupou diversas espécies afins; analisou sua nomenclatura e deu nomes às diferentes partes da planta; descreveu com precisão a estrutura dos diversos tecidos, pelo que é considerado fundador da anatomia vegetal; e estudou os fenômenos da polinização e do desenvolvimento das sementes, com o que firmou as bases da embriologia botânica.

Com a queda do império de Alexandre, o foco cultural trasladou-se da Grécia para a cidade egípcia de Alexandria, onde se destacaram, no campo da biologia, Erasístrato, que estudou o aparelho circulatório, e Herófilo, que dissecou corpos humanos e descreveu o sistema nervoso.

Durante a era romana viveram Dioscórides, botânico que escreveu um tratado sobre ervas medicinais cuja influência perdurou por toda a Idade Média; Plínio o Velho, cuja História natural, apesar de misturar fatos científicos a lendas e superstições, foi obra respeitada de consulta nos séculos posteriores; e Galeno, cuja obra constituiu o fundamento teórico da prática médica, embora suas pesquisas anatômicas não se baseassem no corpo humano, mas no de animais.