生物學的各個分支，包括分類學、生理學、進化論等。，取得了重要進展，但從根本上改變生物學面貌的主要分支是遺傳學、生物化學和微生物學。1900年孟德爾定律被重新發現後，遺傳學的研究與細胞學相結合，進而建立了遺傳學。到20世紀30年代，遺傳學已經被認為是在個體水平和群體水平上研究性狀遺傳的指導理論。因此，遺傳學在生物學乃至整個科學中起著重要的作用。自從1877從生物化學中提取出分離的zymase以來，生物體內代謝的研究進展迅速，生物體內的分解代謝途徑在20世紀40年代已基本明確。與此同時，對酶的性質和生物能量的研究也取得了很大進展。對於蛋白質、核酸、糖、脂肪等生命基本物質，不僅闡明了基本成分，還探索了三維結構。微生物學不僅繼續研究黴菌和細菌，而且在20世紀三四十年代闡明了病毒和噬菌體的本質。這三個分支的發展和相互作用為分子生物學的產生奠定了基礎。
二戰後，生物學有了質的飛躍。1953 DNA雙螺旋結構的發現，標誌著分子生物學的誕生，也標誌著對生物學的探索開始進入揭開生命奧秘的大門。此後，遺傳密碼的解碼和重組DNA技術的建立，不僅創造了分子遺傳學，也在分子水平上取得了腫瘤學和免疫學的傑出成就。神經生物學也有重大突破，尤其是在大腦的研究方面。可見，20世紀的生物學不僅直接影響了其分支學科的發展，而且已經並將繼續對農學和醫學，甚至對正在萌芽的工業革命產生巨大影響。科學史家普遍認為，20世紀50年代以後，生物科學發生了壹場革命。這場革命在開辟新領域、對其他科學的影響、對社會和人們思想的影響等方面，都不遜於20世紀前30年的物理學革命。
20世紀生物學的快速發展，在社會經濟快速發展的有力支持下，使生物學研究迅速、大量地應用了現代物理化學的原理、方法和精密儀器。這樣，生物學的定量研究就逐漸發展起來了。隨著壹些物理學家和數學家被吸引去探索生命奧秘的未知領域，壹個新的理論生物學學科出現了。理論生物學是壹門主要運用數學、物理和化學方法研究各種生命現象的分支學科。早期代表作有奧地利L.von Bertalanfi的《理論生物學》(第壹卷1932，第二卷1942)；M. Beguene的《生物學的思維方法》(1959)等。
19世紀生物學主要在歐洲國家發展，尤其是英國、德國和法國。比如英國的劍橋、牛津等幾所歷史悠久、有科學基礎的大學和皇家學會的學術活動；德國的哥廷根、海德堡、柏林等大學和凱撒-威廉研究所附屬的生物實驗室；法國巴黎大學，1888在巴黎成立的巴斯德研究所，俄羅斯聖彼得堡大學。這種情況在20世紀有了很大的改變。這是因為:歐洲是兩次世界大戰的主戰場；1933希特勒法西斯獨裁統治德國，推行殘酷的反猶種族主義政策。迫使大批猶太裔和反法西斯統治的德國科學家移民，其中大部分移居美國。美國的科學在第二次世界大戰後迅速發展，後來居上，成為世界科學的發展中心。生物學上的情況也基本如此。美國生物學家從19年底開始逐漸成長起來。在20世紀三四十年代與歐洲國家特別是德國的大量移民生物學家融合後，到20世紀末，美國生物學在質和量上都已經處於領先地位。當然，經過戰後40年的恢復和發展，上述歐洲國家在科技方面仍處於世界前列。亞洲和南美洲的壹些國家也在積極開展這方面的研究。
下面，只介紹20世紀發展迅速、影響較大的幾個學科分支的簡要歷史概況。
關於細胞水平上遺傳規律研究的發展，1900年孟德爾定律的重新發現，荷蘭的H. de Fries，德國的C. E. Collens，奧地利的E.von Cermak先後重新發現了孟德爾的遺傳規律，查閱了淹沒在圖書館文獻中35年的《植物雜交實驗》原文，重新公之於眾。此後，G.J .孟德爾的發現受到了高度贊揚。他發現的遺傳規律被稱為孟德爾定律，他本人也被稱為現代遺傳學的創始人。孟德爾1900定律的重新發現標誌著現代遺傳學的開始。H. de Fries和C. E. Collens都是當時著名的植物學家，他們對植物雜交和遺傳有很好的了解，而E.von Cermak是壹位年輕的植物育種家。科學史壹般對前兩者評價很高，尤其是科倫；但無論如何，他們都是基於自己的工作，充分認識到孟德爾發現的意義。科林斯曾說，“再發現遠比孟德爾的原始發現少，分量也輕得多”。英國遺傳學家w·巴特森立即發現了孟德爾的報告，並在1901將其翻譯成英文，從而促進了其在英語國家的更廣泛傳播。
在細胞遺傳學建立和孟德爾定律被重新發現後的幾年裏，生物學家以許多其他動植物為材料進行了各種實驗，結果表明孟德爾定律是動植物普遍遵循的遺傳規律。1900 ~ 1910年間建立了許多重要的遺傳學概念。1902 ~ 1904年，美國細胞學家W.S .薩頓和德國細胞學家T.H .博韋裏都發現，在雌雄配子的形成和受精過程中，染色體的行為與孟德爾假說是平行的，從而提出了孟德爾遺傳是以染色體為基礎的理論。英國的w·巴特森在1906年提出了遺傳學這個術語，早在1902年，他就提出了雜合子、純合子、等位基因等壹些重要概念。h·德·弗裏斯提出了“突變”的概念。丹麥生物學家W.L. Johansen在1909建立了純系理論，提出了“基因”、“基因型”、“表型”等壹些術語和概念。從1901 ~ 1905美國細胞學家C.E. McLean、E.B. Wilson和W.L. Stevens證明了動物細胞核中有兩種粒子:壹種含有副染色體(或X染色體)；另壹個沒有。人們認為性別是由這條額外的染色體決定的。E.B .威爾遜的《發育與遺傳學中的細胞》於1896年首次出版，1900年再版，1925年第三版幾乎全部重寫，對細胞遺傳學的發展起到了積極的推動作用。
從1910到20世紀30年代，細胞遺傳學的建立和孟德爾定律的豐富和發展主要歸功於美國遺傳學家h·摩根及其學派的科學貢獻。摩根和威爾遜是同事和密友。他從學術到行政各方面都有威爾遜的支持。摩爾根壹開始並不信服孟德爾定律，壹方面是因為胚胎學家的偏見，另壹方面是因為他觀察到的遺傳現象遠比孟德爾定律復雜。但他在細胞學和胚胎學的基礎上，以果蠅為材料進行了大量的雜交實驗，最終建立了細胞遺傳學或染色體遺傳學。1910年，他發現果蠅的白眼突變體始終是壹種與雄性相關的性連鎖遺傳現象，並首次通過實驗證明遺傳白眼的“基因”是壹種位於性染色體上的物質。後來，他和他的合作者，以及其他單位和國家的遺傳學家，對果蠅做了大量系統的研究，研究表明，不同的“基因”在遺傳過程中有“連鎖”現象，同源染色體之間有“交換”現象。他們大量的雜交實驗證明，基因在染色體上有固定的位置。通過顯微鏡下對染色體的觀察和大量實驗數據的計算，找到染色體上各種基因的相對位置(見連鎖與交換，基因作圖)。1915年，由摩爾根及其實驗室的年輕學者A.H斯特蒂文特、H.J馬勒和C.B布裏奇斯合著的《孟德爾遺傳原理》的出版，在學術界產生了相當大的影響。1927年，H.J .馬勒用X射線人工誘導果蠅突變，這是第壹個也是最有說服力的人工改變基因的例子，為遺傳學研究和實際應用開辟了廣闊的前景。1933年，其他科學家發現了唾液腺細胞的巨型染色體。後來在1938中，布裏奇斯繪制了果蠅的染色體圖譜，有近4000個基因。這些工作為基因理論的建立提供了重要的基礎。
T.H .摩根修改了1928出版的《基因理論》壹書，將基因在遺傳學中的地位與原子、電子在物理學和化學中的地位進行了比較，並將基因理論與物理學和化學的理論進行了比較，認為:“只有當這些理論能夠幫助我們進行特殊的數值和定量預測時，它們才具有存在的價值。”這段話基本上總結了近30年來遺傳學的成就。他在最後壹段提出了“基因屬於有機分子水平”的問題，認為“基因之所以穩定，是因為它代表了壹個有機化學實體。這是人們現在能做出的最簡單的假設，既然這個意見符合關於基因穩定性的已知實體，至少這是壹個很好的試驗假設。”這個預言在後來的科學發展中得到了證實。
蘇聯等國壹度否定細胞遺傳學。就在遺傳學發展的時候，在蘇聯，以農學家тд李森科為壹方，以植物學家兼遺傳學家ни vavilov為另壹方，在米楚林1935去世後，發生了壹場爭論。由於李森科的政治支持，特別是在1948年8月的全蘇列寧主義農業科學院會議後，徹底否定了G.J .孟德爾、a .魏斯曼和T.H .摩根的遺傳學理論，並被扣上“反動”、“唯心”、“形而上學”的帽子，同時下令停止有關的教學和研究工作。這種情況直到1964才恢復正常。30年來的批判和否定，使蘇聯的遺傳學及相關學科由先進變為落後，同樣也影響了包括中國在內的許多社會主義國家。
20世紀初生物大分子和代謝途徑的研究進展對生物大分子的認識生物化學起源於19世紀的生理化學，發展於20世紀。起初，由於壹些有機化學家對動植物化學的研究，開始了解構成生命的重要物質蛋白質、核酸、糖和脂肪的化學組成和部分結構。科學家花了100多年，直到1940年才把組成蛋白質的20種氨基酸全部搞清楚。19世紀末20世紀初，德國化學家E. Fischer和F. Hoffmeister提出了蛋白質的結構是由肽鍵連接的氨基酸長鏈的理論，並指出所有的天然氨基酸都是L系列(左旋)。然而，直到1929年，瑞典化學家t·斯維德伯格(T. Svedbergh)才利用自己發明的超速離心機確定了蛋白質的大分子性質。在J.F. Mischel於1869年發現核酸後，德國生物化學家A. Causel和美俄生物化學家P . A.T Levin在世紀之交至20世紀30年代對核酸的結構進行了系統研究，發現核酸是由核糖和磷酸結合的四種不同的含氮雜環化合物(嘌呤和嘧啶的衍生物，俗稱堿基)組成的。在1929中，P . A.T Levin發現脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)存在差異是因為核糖的氧含量不同。由於當時條件的限制，他根據不準確的測定，錯誤地認為核酸中四個堿基的含量相等，並在1921中提出了關於核酸結構的錯誤的“四核苷酸”假說，簡化了核酸的復雜結構。這個假說在20世紀30年代被普遍接受，影響了人們揭示核酸作為生命體的重要功能。直到20世紀40年代中期，核酸的遺傳功能得到肯定，才利用新建立的精確方法再次進行分析，發現四種堿基的含量並不完全相等。這推翻了“四核苷酸”假說，有助於未來DNA雙螺旋結構模型的建立。
基本的代謝途徑、酶和生物能的性質是復雜的。20世紀上半葉，糖、脂肪、蛋白質的分解代謝途徑基本明確。