Durante el periodo renacentista se producen grandes cambios a todos los niveles que provocarán una completa transformación en la forma con la que el hombre contempla y estudia la realidad que le rodea. Estos cambios tendrán importantes repercusiones filosóficas, religiosas, sociales, económicas y políticas. El Humanismo recupera las obras clásicas, ampliamente difundidas a partir de mediados del siglo XV gracias a la proliferación en Europa de la recién inventada imprenta. Los textos clásicos comienzan a traducirse del griego y del latín a diferentes lenguas vulgares, permitiendo el acceso a la cultura por parte de un público mucho más amplio. La obra de Erasmo de Rotterdam (1466-1536) provoca una importante revolución intelectual. Pico della Mirandola (1463-1494) resumirá de forma excelente los ideales renacentistas en su Discurso sobre la dignidad del hombre (1486): derecho a la discrepancia, respeto por la diversidad cultural y religiosa, y enriquecimiento a partir de la diferencia.
En el mundo de las ciencias se produce una vuelta a los conceptos de la Antigüedad clásica después de siglos de oscuridad dominados por objetivos teológicos. El descubrimiento del Nuevo Mundo en 1492 obliga a realizar un esfuerzo científico y tecnológico de gran magnitud, desarrollándose áreas como la astronomía, la cartografía y la navegación. Comienza de nuevo la búsqueda incansable de racionalidad y orden en el mundo natural. Una vez difundidos los textos clásicos por medio de numerosas ediciones impresas, surge una importante sensibilidad crítica que cuestiona incluso las propias fuentes, creciendo un escepticismo que a la larga acabará por sentar los cimientos del método científico durante el siglo XVII.
Juan Luis Vives (1492-1540) aborda el estudio de la naturaleza desde el acercamiento directo y práctico, proponiendo que esta observación debe comenzar en edad escolar. Recomienda Vives el estudio de la historia natural, cosmografía, agricultura y medicina.
Paracelso (1493-1541) comienza a ejercer la medicina de forma diferente, separándose de la tradición escolástica y revolucionando los métodos de diagnóstico y tratamiento. Introdujo nuevos remedios medicinales de origen mineral, fundamentalmente compuestos de mercurio y azufre. Pese a ser un personaje polémico por haber llevado a cabo prácticas alquímicas y ser relacionado con el ocultismo, Paracelso sembró un nuevo concepto de medicina, rompió para siempre con muchas de las tradiciones arcaicas, y publicó gran cantidad de obras sobre temas diversos como medicina, astronomía, filosofía, religión, botánica o nigromancia.
El sistema ptolemaico geocéntrico es rebatido por la teoría heliocéntrica de Copérnico (1473-1543) en su obra De revolutionibus orbium coelestium (Sobre los giros de los orbes celestes), publicada el año de su muerte en 1543. Esta controvertida publicación no solo abre camino a nuevas concepciones astronómicas, sino que cambia profundamente la idea del hombre con respecto al Universo. Poco a poco lo divino comienza a abandonar la materialidad del cosmos para pasar a refugiarse en la intimidad de las conciencias. Por otra parte, no podríamos olvidar las importantísimas observaciones astronómicas que Tycho Brahe (1546-1601) realizó desde su observatorio en Copenhague, datos que compartió con Johannes Kepler (1571-1630), simplificando el sistema copernicano y dando sentido al movimiento planetario.
Este cambio radical de paradigma, unido a profundas crisis religiosas, tuvo importantes repercusiones en la sociedad de la época, cobrándose víctimas como Miguel Servet (1511-1553) o Giordano Bruno (1548-1592), quemados vivos en la hoguera tras ser acusados de herejía. Se expurgaron libros, se prohibieron otros muchos, y se siguió un control férreo de toda expresión de ideas que pusieran en duda los dogmas establecidos por los grupos religiosos, tanto católicos como protestantes.
En el campo de la botánica se multiplica la actividad investigadora, tanto en los trabajos de campo como en jardines botánicos, que comienzan a proliferar por toda Europa. Los primeros se establecen en universidades italianas, Pisa (1543), Padua y Florencia (1545), Bolonia (1547), a los que siguieron las de Zurich (1560), Leiden (1577), Montpellier (1593) y Leipzig (1597). El humanismo renacentista recupera autores clásicos como Plinio o Dioscórides, se reeditan y amplían sus obras, incorporando ilustraciones a través de grabados xilográficos cada vez más realistas. Se populariza la confección de herbarios de plantas secas y se clasifican multitud de especies nuevas. La botánica comienza a tomar peso como ciencia, todavía muy ligada a la medicina y a la agricultura, sentándose las bases de esta nueva disciplina que busca el conocimiento y la clasificación del mundo vegetal, empresa favorecida por las grandes expediciones ultramarinas.
Los nuevos descubrimientos botánicos se plasman en publicaciones, también denominadas herbarios, en las que se nominan y describen gran cantidad de especies. A estas descripciones se suele añadir información sobre sus propiedades terapéuticas, usos culinarios e incluso propiedades mágicas. Como novedad, cada especie comienza a acompañarse de una ilustración xilográfica con mayor o menor detalle, cuya forma se adapta normalmente al espacio dejado en el papel para este fin. La inclusión de ilustraciones permite utilizar los herbarios como herramienta pedagógica con el fin de transmitir estos conocimientos a un público no instruido y comienza a considerarse, junto con la descripción del ejemplar, un elemento esencial para el reconocimiento de las especies y, por tanto, para que el herbario resulte de utilidad.
Entre los trabajos botánicos descriptivos destacan los de autores pioneros como Otto Brunfels (1448-1534), Leonard Fuchs (1501-1566), Hieronymus Bock (1498-1554), Rembert Dodoens (1517-1585), Adam Lonicer (1528-1586) o Charles L'Ecluse (1526-1609), quienes intentan dar una idea general del aspecto externo de vegetal, aunque muchas de estas descripciones son todavía muy arbitrarias. Los autores de herbarios impresos intentan con el tiempo afinar las descripciones y establecer sistemas de clasificación más fiables, es el caso de Andrea Cesalpino (1519-1603), de Matthias de L'Obel (1538-1616) o, ya en el siguiente siglo, de Garpard Bauhin (1560-1624).
Pese a estos avances, el texto de Dioscórides sigue vigente en cuanto a tratamientos medicinales. La primera versión impresa ve la luz en 1478, sin ilustraciones, y en 1516 aparecerá la traducción latina y comentada de Jean Ruelle. En 1544 ve la luz la primera versión comentada por Mattioli. quien definitivamente contribuyó a la difusión de este tratado. Andrés Laguna publicará en 1555 la primera versión castellano, con interesantes comentarios y aportaciones propias.
A mitad del siglo XVI comienzan a publicarse tratados zoológicos de gran interés, despuntando sin duda Historia Animalium de Gesner. En cuanto a la ictiología destacan los trabajos de Rondelet, Belon y Salviani, publicados también en la década de 1550.
En esta época comienzan a aparecer los primeros Kunstkammer, gabinetes de curiosidades o cuartos de maravillas, de la mano de los príncipes italianos influenciados por la corriente humanista, como Francisco I de Medici. En estas colecciones, precursoras de los actuales museos, tenían cabida todo tipo de artículos raros o curiosos, desde monedas y objetos exóticos traídos de países lejanos, hasta instrumentos científicos, libros o especímenes naturalizados. Las colecciones solían organizarse en cuatro grandes grupos: artificialia (obras de arte y antigüedades); scientifica (instrumentos científico), naturalia (objetos naturales) y exotica (plantas y animales exóticos). La edición de catálogos ilustrados permitía el acceso al contenido por parte de los científicos de la época.
Destacan entre estas colecciones la formada por el italiano Ulisse Aldrovandi o el gabinete que Rodolfo II de Habsburgo (1552-1612) formó en el castillo de Praga, el cual ocupaba varias habitaciones y contenía miles de ejemplares naturales además de multitud de pinturas de los más grandes artistas del Renacimiento junto a otros objetos muy variopintos.
Los viajes y descubrimientos de nuevos territorios llevados a cabo principalmente por españoles en el continente americano y en el Pacífico, y por portugueses en África y Asia, configuran un factor importantísimo en el avance del estudio de la naturaleza durante el siglo XVI. Estas nuevas exploraciones geográficas van ligadas al descubrimiento de faunas y floras exóticas. Aunque las noticias del continente americano se difundieron con lentitud, destaca el trabajo que realizó Gonzalo Fernández de Oviedo (1478-1557) en su obra Historia General y Natural de las Indias, Islas, y Tierrafirme del Mar Océano de 1535. En él se figuraban, mediante xilografías muy sencillas y esquemáticas, diversos animales y plantas, así como algunos artefactos indígenas. El texto está basado en su experiencia personal durante su viaje por Colombia, Venezuela, Panamá, Nicaragua y las Antillas, realizando observaciones muy detalladas sobre los aspectos naturales de estos territorios.
Otro de los primeros estudiosos de la naturaleza en tierras americanas fue Francisco Hernández de Toledo (1517-1587), quien fue enviado a Nueva España por el rey Felipe II con el objetivo de hacer un inventario de todos los productos naturales entre 1571 y 1577, incluyendo plantas, animales y minerales de los nuevos territorios. Hernández fue un médico muy bien cualificado y preparado en las tareas de herborización y disección. El resultado fue un espléndido compendio con gran cantidad de información científica en más de mil folios de texto en latín, acompañado de unas 2.000 bellísimas láminas elaboradas por dibujantes indígenas, que Hernández pretendía publicar a su vuelta a España en una monumental obra sobre la historia natural del Nuevo Mundo. Debido a su elevado coste, la obra de Hernández nunca se publicó y Felipe II encargó a Antonio Recchi, médico napolitano, la elaboración de una versión abreviada más económica provista de grabados xilográficos que tampoco llegó a ver la luz hasta 1628. Los manuscritos originales y las miles de láminas se perdieron definitivamente durante el incendio de El Escorial en 1671. De haber sido publicada y difundida, la obra de Hernández representaría un punto de inflexión en el estudio de la naturaleza, ya que incluía unas 3.000 plantas y más de 400 animales que habitaban el Nuevo Mundo.
Felipe II regalará a su médico Jaime Honorato Pomar, catedrático de botánica de la Universidad de Valencia, un maravilloso álbum ilustrado con 218 láminas a la acuarela que representan 60 animales y 158 plantas, entre las cuales se entremezclan las especies autóctonas con las exóticas. Algunas de estas últimas es sabido que fueron copiadas de los dibujos originales realizados durante la expedición de Francisco Hernández. Realizado alrededor de 1590 por uno o varios autores anónimos, es denominado Códice Pomar o Atlas de Historia Natural de Felipe II, se conserva en la biblioteca de la Universidad de Valencia y constituye, junto con la edición romana de Recchi, el único testimonio que nos ha quedado hoy en día sobre la expedición científica de Francisco Hernández al Nuevo Mundo.
El trabajo que mayor repercusión tuvo sobre la historia natural americana fue la de Monardes, publicada en 1574. A pesar de los esfuerzos realizados por los españoles, los conocimientos sobre las especies que habitaban el nuevo continente fueron penetrando muy lentamente en el saber europeo, y no es hasta el siglo XVII cuando comienzan a ganar cierta importancia en los círculos especializados.
Tras el conocimiento en 1513 del estrecho de Panamá por parte del extremeño Vasco Núñez de Balboa, que permitía el acceso de los expedicionarios españoles al Pacífico a través de Méjico y Perú, y el descubrimiento durante la travesía de Magallanes y Elcano de las Islas Filipinas y las Islas Marianas en 1521, se comienzan a explorar nuevos territorios insulares como las Islas Carolinas (Alonso Salazar, 1526), Islas Marshall, Hawái y Nueva Guinea (Álvaro de Saavedra, 1527-1529), Islas Galápagos (Tomás Martínez, 1535), Islas Desventuradas o Juan Fernández (Juan Fernández, 1574), Islas Salomón (Álvaro de Mendaña, 1567-1569), Nueva Zelanda (Juan Jufré y Juan Fernández, 1576), Islas Cook, Islas Marquesas o Isla de Guam (Mendaña, 1595), La Antártida (Gabriel de Castilla, 1603), Australia, Vanuatu, Tahití, Islas Pitcairn o Nuevas Hébridas (Fernándes de Quirós, 1605-1606) entre otras muchas islas de menor tamaño. De todas estas expediciones llegan a España descripciones y dibujos de multitud de especies animales y vegetales, así como exhaustivos datos cartográficos de los nuevos territorios descubiertos. Como es lógico, la mayor parte de la información científica recopilada durante estas exploraciones se mantuvo en secreto con el fin de salvaguardar los intereses de la Corona de España, por lo que la mayor parte de los datos nunca fueron publicados ni difundidos.