一直都有從頭研究生物分子的學門也會研究什麼？
大尺度器官構造
「分子生物學」則主要研究遺傳物質的複製、轉錄和轉譯進程中的分子基礎。分子生物學的中心法則認為「去氧核醣核酸轉錄信使核糖核酸，信使核糖核酸轉譯蛋白質，蛋白質反過來協助前兩項流程，並協助去氧核醣核酸自我複製」；雖然這一描述對分子生物學所涵蓋的內容過於簡單化，但仍不失為了解這一領域的很好的起點。在分子生物學中大量工作是定量的，而且最近的許多研究工作是在結合生物資訊學和計算生物學的基礎之上完成的。從本世紀開始，研究基因結構和功能的分子遺傳學已經成為發展最快的領域之一。越來越多的學科已經將目光集中到分子水平的研究中，一方面直接研究相關分子間相互作用，如細胞生物學和發育生物學；另一方面利用分子生物學技術來研究並推測群體和物種的歷史貢獻，如進化生物學領域中的群體遺傳學和種系發生學。此外，生物物理學除了研究大尺度器官構造之外，一直都有從頭研究生物分子的傳統。
分析是將觀察或理論分解為更簡單的概念以更好了解的過程。分析是對科學至為重要，對對理性的一切行為皆是如此。例如，想要數學地描述一個拋物的運動，若將重力、拋射角度和初始速度分離出來，會更容易。經過這種分析後，合適的運動理論便有可能形成。還原論或還原主義可以指與這種方法相關的幾個哲學觀點之一。一種類型的還原論相信，所有領域的研究都最終服從科學的解釋。也許一個歷史事件可以用社會學和心理學解釋，而這又進一步可由人體生理學描述，然後又可進一步由化學和物理解釋。Daniel Dennett 發明了術語「Greedy reductionism」來描述還原論是可能的假設。他聲稱，這只是「壞科學」，喜歡尋求有吸引力的或雄辯的解釋，而不是那些對預測自然現象中有用處的。一個影響科學中立性的廣泛問題是，科學選擇了那些領域去探索，也即，科學研究的是世界和人類的哪一部分。菲利普·基徹在他的《科學、 真理和民主》中認為，有些科學研究，試圖表明人口的一部分相比其他人，不太聰明、 不太成功或情感上落後，這會有一種政治反饋效應，進一步排除這類人群獲取科學的機會。因此這種研究，由於排除了某些人，破壞了科學所需的良好的廣泛共識，並因此證明自己終究是不科學的。
1859年，英國博物學家查爾斯·達爾文在《物種起源》中，首先提出了以自然選擇為主的演化理論，這可能是科學上最為顯著，且影響深遠的一個理論。達爾文提出各種不同的動物，是經歷了長時間的自然進程之後成形，甚至連人類也是如此演化而來的生物。演化論引起了社會上的反對和支持聲浪，並深切地影響了大眾對於「人類在宇宙中的地位」之理解。到了20世紀早期的1900年代，奧地利僧侶格里哥·孟德爾在1866年所發展的遺傳定律被重新發現，之後遺傳成為了主要的研究對象。孟德爾定律是遺傳學研究的起始關鍵，此學門也成為科學與產業上的主要研究領域之一。1953年，詹姆斯·沃森、佛朗西斯·克里克和羅莎琳·富蘭克林闡明了DNA，也就是使所有生物型態得以表現的遺傳物質的基本結構。到了20世紀晚期，遺傳工程的可能性，使首次的大規模國際性計畫，也就是解開人類的整個基因組的人類基因組計畫在1990年代展開。此研究結果在分子生物學和醫學上有相當大的利用價值。
心理學是否為自然科學的範圍，目前也尚存爭議，一般較廣為接受的說法是心理學同時包含在自然科學與社會科學的範疇之中。自然科學的根本目的在於尋找隱藏在自然現象背後的規律，但是自然科學的工作尚不包括研究為什麼會存在這些規律。自然科學認為超自然的、隨意的和自相矛盾的現象是不存在的。自然科學的最重要的兩個支柱是觀察和邏輯推理。由對自然的觀察和邏輯推理自然科學可以引導出大自然中的規律。假如觀察的現象與規律的預言不同，那麼要麼是因為觀察中有錯誤，要麼是因為至此為止被認為是正確的規律是錯誤的。一個超自然因素是不存在的。