进入20世纪，随着物理学化学等学科的快速发展，生物学的研究得到了有力的支持。借助于物理学和化学的新理论及新方法，生物学的研究出现一系列的重大进展。
由于生物学在19世纪已达到了细胞的层次，一些生物学家在19世纪70年代已开始在细胞学的领域内向遗传学方向迈进了。
1900年，在生物学发展史上出现一个重要的事件——孟德尔的再发现。
大约从1885年起，荷兰的德弗里斯（1848—1935）开始在生物界寻找这种突变，他后来在美洲的樱草花的一个野生群内发现了。有些植株明显地不同于正常类型，几代以后德弗里斯从这些植株里得到了更明显的变种。德国的科林斯（1864—1933）和奥地利的切马克（1871—1962）也在从事植物杂交的研究，正当他们的工作就要结束时，他们发现孟德尔早已得出了他们正要得出的结果。1900年，德弗里斯等在自己发表的论文中，明确指出了孟德尔早在他们之前就已经得到了关于遗传的重要结论。正如科林斯在他的论文所说的那样：“我还以为自己发现了新东西，但是，不久我就发现，在上个世纪60年代，布隆镇修道院的孟德尔院长经过一系列的豌豆试验，不仅获得了与我完全一致的结论，而且提出了完全相同的解释。而这一切居然发生在几十年前的1866年。”1901年，孟德尔的论文重新以德文发表。三位科学家不约而同地发现了孟德尔发现过的遗传定律，这就是被史学家称之为的“孟德尔再发现”。
英国的贝特森（Bateson，1861—1926）将孟德尔的论文翻译成了英文，并向英国生物界广泛传播孟德尔的学说。1906年，贝特森第一次提出了“遗传学”一词。
核酸是瑞士人米歇尔（1844—1927）于1868年在德国做研究时从脓细胞中最先提取出来的。后来经过德国人科塞尔（1853—1927）的研究及其学生琼斯（1865—1935）和美籍俄国人列文（1896—1940）在美国的研究，基本上搞清了核酸的化学成分和基本结构。确定了核酸有两种，即脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）。
1879年，德国的弗莱明（Fleming，1843—1915）运用染色的方法观察细胞，发现细胞内的有些物质可以吸收某些染料，而有一些则不能吸收。在细胞核中，有一些物质大量吸收碱性苯胺染料，他便称这些物质为染色质。在无性生殖中当细胞接近分裂时，人们发现染色质会自己形成若干条分离的丝，这被称作染色体。
1903年，美国生物学家萨顿（1877—1916）和德国的鲍弗里（1862—1915）提出了遗传的染色体学说，认为遗传因子就在染色体上。1904年美国的萨顿证明了染色体总是成对存在的。1909年丹麦的约翰逊提议用“基因”一词代替遗传因子。
1910年，美国人摩尔根（1866—1945）发表了关于果蝇性连锁遗传的论文，第一次将一个基因和一个具体的染色体的行为联系起来。此后，摩尔根和他的学生又发表了《遗传的物质基础》和《基因论》，系统地阐述了基因学说和染色体理论，证明了基因是染色体上的遗传单位。
20世纪40年代以后，人们逐渐认识到核酸是基因的载体，遗传学研究又掀起一个新的热潮。物理学和化学向生物学的渗透，使遗传学又取得重大突破，产生分子遗传学。它一产生就超出遗传学范围，把分子水平的研究迅速扩展到生物学领域，从而形成分子生物学，引起生物学革命，又发展了遗传工程这一崭新的生物技术。
1944年美国的艾弗里（1877—1955）等人在实验中发现：死去的S型菌并未复活，而是S型菌的DNA进入了R型菌，使其转化为新的S型致病肺炎双球菌。艾弗里等人的实验不仅揭开了“格里菲思之谜”，并且在世界上第一次证明遗传基因就在DNA上。[1928年，英国细菌学家格里菲思（1877—1944）对两种S型和R型肺炎球菌进行研究，少量的S型菌就会使小鼠患肺炎而死亡，而R型菌则不会。一次，格里菲思把加热杀死的S型菌和活的R型菌混合注射到小鼠身上，小鼠竟然也患病死亡了。这就是著名的“格里菲思之谜”。]
显然，搞清DNA的化学结构及作用是研究遗传的关键问题。20世纪40年代后，不同的研究工作由彼此独立转到融为一体，最终探明了DNA的结构，从而导致了分子生物学的诞生。
20世纪40年代末，DNA的功能和结构日益引起学术界的重视。英国的维尔金斯（1916—2004）和富兰克林（1920—1958）研究小组与美国的鲍林（1901—1994）研究小组在DNA晶体结构研究方面都取得了卓有成效的进展。但维尔金斯认为探索DNA结构的唯一途径是使用晶体学和数学计算的方法，拒绝采用建立结构模型的方法，因此，未能进一步取得最终的结果；而鲍林虽是最早认定DNA分子具有与氨基酸链类似的螺旋结构的科学家，而且研究的环境最优越，但他错误地认为DNA分子是由三股螺旋组成的，使他误入歧途。
美国的沃森（1928—）和克里克（1916—2004）当时是两个年轻的学者。受薛定愕《生命是什么？》一书的影响，对基因研究产生了浓厚的兴趣。1951年11月，两人在剑桥大学卡文迪什实验室相遇，决定开始合作。
克里克与沃森认为：当时的X射线晶体衍射技术水平尚不足以清晰显示生物大分子较为复杂的三维图像，仅靠数学计算，难以确定大分子中所有原子的准确位置。如果设想DNA分子呈螺旋状，则不妨依据X射线衍射图上的几组数据，先构建出分子模型的大模样，再不断调整其中原子排列的细节，直到其与真实分子的衍射图十分接近为止，此时得到的即应是DNA的实际立体结构。
1951年11月，沃森听了富兰克林关于DNA结构的学术报告，沃森和克里克认识到他们要从事DNA的结构分析研究。由于并非他们分内的工作，没有研究经费，也没有从实验中直接得到数据的条件，只能利用别人的数据进行分析，从而建立自己分子结构模型。他们很快就提出了一个三股螺旋的DNA结构的设想。但当他们请维尔金斯和富兰克林来讨论这个模型时，富兰克林当即指出DNA结构应是双螺旋，而且他们把DNA的含水量少算了一半。
这是由于沃森在听富兰克林的报告时没有做记录，富兰克林估算出DNA分子中每个核苷酸是由8个水分子环绕着的，而沃森却用脑子记成了每一段的 DNA分子含有8个水分子，于是第一个模型宣告失败。
1952年5月以后，沃森和克里克得到了维尔金斯和富兰克林的进一步的实验报告。克里克请数学家帮助计算的结果表明，嘌呤有吸引嘧啶的趋势，并从查哥夫那里知道嘌呤与嘧啶的碱基比为1∶1，于是形成了碱基配对的概念。沃森和克里克此时已知道鲍林建立了氢键连接的3链结构，这对他们也是一个触动。经过紧张地工作，不断修正错误，他们终于在1953年2月建立起DNA双螺旋结构的分子模型。
1953年4月25日，英国著名的科学期刊《自然》杂志发表了沃森、克里克的一篇优美精练的短文，宣告了DNA分子双螺旋结构模型的诞生。这一期杂志还发表了富兰克林和维尔金斯的两篇论文，以实验报告和数据分析支持了沃森、克里克的论文。
DNA分子双螺旋结构模型的诞生宣告了分子生物学的诞生。为此，沃森、克里克和维尔金斯获得了1962年的诺贝尔医学和生理学奖。
沃森和克里克建立DNA双螺旋结构模型后不久，又发表文章说明DNA分子结构的遗传含义。他们设想DNA双螺旋结构就是基因，携带着遗传密码；在复制过程中，原来的一个双螺旋结构分子变为两个同原来完全相同的双螺旋分子。
1956年，美国的科恩伯格（1918—）从大肠杆菌里分离了一种催化核苷酸形成DNA的酶——DNA聚合酶。1957年，他用含有4种核苷酸、聚合酶和DNA的无细胞体系合成了DNA。他的重要发现是，产物DNA中碱基比例和原先的DNA碱基比例相同。1958年，梅塞尔森（1930—）等用大肠杆菌研究DNA复制。实验结果证明，在细胞分裂中DNA确实是以半保留复制的方式产生的。1959年，美国生化学家泰勒（1916—）用氘标记碱基追踪DNA的复制。以上实验结果都证明沃森和克里克的设想是正确的。DNA双螺旋结构的重大意义显示出来，它解决了基因自我复制的分子基础问题。此后，基因是如何表达的问题，成为分子生物学研究的中心课题。
在探求基因如何控制蛋白质合成时，面临一个难题：4种不同的碱基怎样排列组合进行编码才能表达出20种不同的氨基酸。美国物理学家伽莫夫（1904—1968）于1955—1956年间用数字的排列组合来估算编码。他认为，应用3个碱基组成3联密码，43=64&；；gt；20.由此他进一步推断一种氨基酸可能不只有一个密码。伽莫夫专门组织对遗传密码设计的讨论，克里克也参加了。1961年，克里克和布伦纳进行了研究密码比例和翻译机制的实验。结果表明，密码确是以3联体核苷酸的形式代表着20种不同的氨基酸。
到1963年，20种氨基酸的遗传密码都被测出，到1969年，64种遗传密码的含义已全部得到解答，经克里克建议，人们将它们排列成一个遗传密码表。很多科学家认为，这个表在生物学上的意义，可以与元素周期表在化学上的意义相比。
对于遗传信息通过什么途径来调节和控制遗传的问题，20世纪50年代人们也进行了大量研究。克里克在1957年提出一个设想：RNA可能是DNA和蛋白质之间的中间体。1958年，克里克又提出基因自我复制和指导蛋白质合成的“中心法则”，即DNA把信息转给RNA，RNA通过中间的“受体”用信息指导氨基酸进行蛋白质的合成，而且这一过程是不可逆的。这种受体很快被证实是一种转移核糖核酸。1961年，法国分子生物学家雅可布（1920—）和莫诺（1910—1976）证明在DNA与蛋白质之间的中间体是一种被称为信使RNA的多核苷酸链（简称mRNA）。
1970年，美国生化学家特明（1934—）和巴尔的摩（1938—）在癌症研究工作中，各自独立地发现了逆转录酶。这一发现不但打破了中心法则的不可逆性，也为病毒可以改变宿主细胞的遗传性提供了科学依据，是对中心法则的一个重要补充，又一次轰动了生物学界。两人都获1975年诺贝尔医学和生理学奖。
分子生物学的兴起，对细胞学的发展也产生深刻影响。20世纪50年代以后，由于电子显微镜的改进及广泛应用，使人们可以观察到许多以前无法看到的微细结构。到60年代初，对细胞的观察已深入到亚细胞结构水平和分子水平，人们将细胞结构研究与功能研究紧密结合起来，以阐明生命的基本活动。细胞生物学作为一个独立的分支学科诞生了。70年代，人们对细胞有了进一步的认识。细胞的生物学特点可概括为：细胞是遗传信息和代谢信息的储存和传递系统，是从小分子合成复杂高分子特别是核酸和蛋白质的系统，是一个内部有能量流动又保持整体动态平衡的开放系统。这种认识与20世纪50年代前相比，不仅在结构上深入到新的层次，而且从功能上反映了生命活动的本质。此外，20世纪60年代以来，在细胞膜、染色体、线性体等的结构和功能的研究方面也取得了重大进展。
20世纪60年代后，随着分子生物学的建立及其发展，生物进化理论也有进一步的发展，进入到了第三个阶段，原来的综合进化理论发展成为当代达尔文主义的新综合理论，即所谓的分子水平的综合进化理论。这个理论更加科学地说明了选择的进化机制和变异对进化的意义，成为这一阶段进化理论的主流。另一方面，出现了中性突变进化理论和间断均衡学说，从不同的水平对进化现象加以说明和解释，并向当代达尔文主义提出挑战。综合进化理论表达了这样一种生物进化观点：种群是生物进化和物种形成的基本单位，进化是种群基因库变化的结果，突变、选择和隔离是生物进化的基本环节。
值得一提的是，在科学家普遍接受达尔文主义进化学说的时候，拉马克主义也有一些拥护者。从1920年至1937年，麦克杜格尔（McDougall）接连好多代训练老鼠避开一条引向电击的途径而选择一条引向食物的途径，他发现训练所需的次数一代一代地减少下去。从细菌和原生动物生长的研究中，拉马克的观点获得更加显著的证据。詹宁斯（Jennings）从1930年起证明某种原生动物能改变自身以适应不习惯的环境条件，例如高温和有毒的化学制品，这种获得的变化是遗传的，因为这些原生动物回过来适应早先的条件时，如同它们适应新条件时的变化一样缓慢。欣谢尔伍德（Hinshelwood）从1938年起把细菌细胞的生长作为一种化学反应来对待，研究了这种过程的动力学，取得了类似的结果。
近年来抗药性菌株的出现已成为一个重要的问题，这种细菌的发生一般归因于偶然产生的一个突变有机体，它能在药物中生存，并通过自然选择而占优势。但是欣谢尔伍德却提出细菌自身能对药物发生适应性改变的理由，特别是因为在稀释的接种体里几乎全部细菌都生存下来了，并且在一个亚致死的药物培养基中产生了菌落，而不只是一两个突变体。批评者指出每一个细菌生存并繁殖到相当长的时期后，便可以形成一个抗药突变体，但是欣谢尔伍德却认为这个见解不能说明这种现象的量变特点，因为菌体细胞的分裂速度在药物培养基中大大降低了，虽然有机物质的产生速度是很大的。拉马克主义始终是具有相当异端色彩的一种少数派意见。1940年，由于在苏联发展了多少有点类似的米丘林学说，这种异端色彩就更明显了。