הביולוגיה הפכה לתחום מחקר רחב כל כך עד כי היא לא נתפסת בדרך כלל כדיסציפלינה או כמקצוע אחד, אלא כמספר תת-דיסציפלינות מקובצות. הפרק הזה מחלק את תחומי המחקר לארבע קבוצות עיקריות. הקבוצה הראשונה מורכבת מהמקצועות שחוקרים את המבנים הבסיסיים של מערכות חיות: תאים, גנים וכו'; הקבוצה השנייה בוחנת את הפעילות של מבנים אלה ברמה של רקמות, איברים וגופים; הקבוצה השלישית מתבוננת ביצורים החיים ובהיסטוריה שלהם; הקבוצה האחרונה של תחומי מחקר מתמקדת ביחסי הגומלין ביניהם.
עם זאת, חשוב לשים לב כי גבולות, הקבצות ותאורים אלה הם מאפיינים פשטניים של המחקר הביולוגי. במציאות, הגבולות בין דיסציפלינות גמישים, ורוב תחומי המחקר משתמשים לעיתים קרובות בטכניקות מתחומים אחרים. לדוגמה, ביולוגיה אבולוציונית נשענת במידה רבה על טכניקות של ביולוגיה מולקולרית כדי לקבוע את הרכבם של רצפי DNA אשר מסייעים בהבנה של המגוון הגנטי של אוכלוסייה; ופיזיולוגיה משתמשת בממצאים מתחום הביולוגיה של התא כדי לתאר את התפקוד של מערכות איברים. אתולוגיה ופסיכולוגיה משווה מרחיבות את הביולוגיה כדי לבצע מחקר של ההתנהגות ומאפייני החשיבה בבעלי חיים, בעוד שפסיכולוגיה אבולוציונית גורסת כי שדה הפסיכולוגיה, כולל זו של בני האדם, הוא ענף של הביולוגיה.
ניתן לסווג את תחומי המחקר הביולוגיים גם בצורות אחרות, למשל בהתאם לסוג היצורים הנחקרים: פלאונטולוגיה – חקר המאובנים, ונאונטולוגיה – חקר היצורים בני זמננו.
עם השנים, קיימת מגמה של סינתזה בין תחומים או תאוריות שונות בביולוגיה, במיוחד מאז התפתחות האבולוציה, הגנטיקה והמיקרוביולוגיה באמצע המאה ה-19 וביתר שאת מראשית המאה ה-20, כך הבנה של תחום אחד בביולוגיה, מסייעת להבין את התחומים האחרים. הסינתזה נמשכת גם עם תחומים אחרים מחוץ לביולוגיה לדוגמה פיזיקה, ביוכימיה, קוסמולוגיה, תרמודינמיקה, אריכאולוגיה, פסיכולוגיה, סוציולוגיה, אנתרופולוגיה ועוד.
אנטומיה השוואתית: חקר הגורמים להבדלים בתפקוד ובמבנה של יצורים שונים ברמת האיברים.
ביולוגיה התפתחותית או אמבריולוגיה או אונטוגניה: חקר התפתחות האורגניזם מרגע היווצרותו ועד מותו. חקר גדילת התאים, התמיינותם והתפתחות הרקמות והאיברים השונים.
ביוטכנולוגיה: פיתוח השימוש ביצורים בתעשייה, לייצור תרופות, מזון וכימיקלים.
ביואינפורמטיקה: פיתוח עזרי מחשוב לשימוש הביולוגיה, במיוחד בתחומי הגנומיקה, הפרוטאומיקה והפילוגנטיקה.
ביולוגיה מערכתית (systems biology): ניתוח התפקוד של מערכות ביולוגיות, בניגוד לחקר התפקוד של חקר רכיבים בודדים. תחום צעיר ביותר, המשלב שיטות ניסיוניות חדשות עם פיתוח כלים מתמטיים וחישוביים.
ביופיזיקה: חקר תהליכים ביולוגיים מההיבט הפיזיקלי (למשל: תנועת נוזלים בתא ובגוף, השפעת הכבידה על תנועת אורגניזמים, הולכה חשמלית בגוף).
תחומים ותאוריות שהתפתחו בביולוגיה עברו עם השנים סינתזה כך שתחום אחד מסביר ומבהיר כיצד עובד תחום אחר. בין 1918 ל-1930 הפגיש רונלד פישר את תורת האבולוציה של דרווין, הכוללת את רעיון הברירה טבעית, תורשה ושונות, ואת חוקי הגנטיקה של גרגור מנדל למבנה קוהרנטי של ביולוגיה אבולוציונית, דבר זה מכונה כיום ההסינתזה האבולוציונית המודרנית. בתקופה זו ביולוגים הניחו שאורגניזם הוא השתקפות ישירה של הגנים המרכיבים אותם: הגנים מקודדים לחלבונים, שבנו את הגוף של האורגניזם. הם שיערו כי מסלולים ביוכימיים ומינים חדשים התפתחו באמצעות מוטציות בגנים הללו. זו הייתה תמונה פשוטה, ברורה וכמעט מקיפה: אבל היא לא הסבירה את האמבריולוגיה לדוגמה.
תחום הטקסונומיה (מיון של אורגניזמים שונים), עבר שינויים משמעותיים במהלך המאה ה-20 וה-21 כאשר מיון של ענפים בעץ החיים, השתנה בעקבות מיון גנטי. בעבר התיחום של קבוצות בוצע בעיקר באמצעות השווה בין דמיון באיברים ואילו בהמשך החלו חוקרים להשוות דמיון בין מינים ואת הפיצולים שלהם באמצעות השוואה גנטית. היבטים אלה כמו גם מחקרים על מבנה התא חשפו גם קשרים ומוצא משותף בין אאקוריוטים לבין פרוקריוטים. כך לדוגמה התאוריה האנדוסימביוטית שהגתה הביולוגית לין מרגוליס ב-1967, מסבירה את קיומם של האברונים מיטוכונדריה וכלורופלסט בתאים איקריוטיים על ידי תהליך אבולוציוני, שבו חיידקים קדומים מסוג בקטריה, נבלעו על ידי חיידקים גדולים יותר מסוג ארכיאה, והמשיכו להתפתח בתוכם בסימביוזה הדדית.
תחומים רבים בביולוגיה חופפים או שייכים למספר תחומי על: כך, למשל, גנומיקה שייכת לביוכימיה ולגנטיקה יחדיו; וביופיזיקה ונוירופיזיולוגיה עוסקות לעיתים בנושאים חופפים.
כפי שניתן לראות, הביולוגיה נעזרת ותלויה במדעים רבים אחרים. אלקטרופיזיולוגיה שייכת גם לפיזיקה, למשל, ואילו רוקחות שייכת גם לרפואה. מהסיבה הזו כוללות תוכניות הלימוד לביולוגיה בשנת הלימודים הראשונה מתמטיקה, סטטיסטיקה, כימיה, ביוכימיה ופיזיקה, שכן ללא הבנה בתחומים אלו לא ניתן להסביר תופעות ביולוגיות, וכן מחשבים, אשר מהווים כיום כלי עזר חיוני ביותר למחקר הביולוגי.
