Dans l'Antiquité et jusqu'au XVIIIe siècle, la science est indissociable de la philosophie (on nommait d'ailleurs la science, la philosophie naturelle) et étroitement contrôlée par les religions. Sous la pression du savoir qui s'accumule, elle vient sans cesse heurter les dogmes religieux. Le contrôle de la religion sur les sciences va progressivement diminuer avec l'apparition de l'astronomie et de la physique modernes, faisant des sciences un domaine autonome et indépendant.
La transition entre les sciences médiévales et la Renaissance est souvent confondue avec la révolution copernicienne. Celle-ci correspond plutôt à la transition entre la Renaissance et le siècle des Lumières, car il fallut un certain laps de temps pour que la découverte de l'héliocentrisme soit partagée et acceptée.
Du point de vue scientifique, c'est en effet l'astronomie qui déclenche le changement à cette époque. Témoin la refondation de l'algèbre accomplie par Viète(1591). Après Copernic qui vécut avant la guerre de Trente Ans (l'année 1543 correspond à la parution de son principal traité), d'autres astronomes reprirent les observations astronomiques : Tycho Brahe, puis Kepler, qui effectua un travail considérable sur l'observation des planètes du système solaire, et énonça les trois lois sur le mouvement des planètes (lois de Kepler).
On parlait depuis quelques décennies de l'héliocentrisme, mais on cherchait à la concilier avec l'ancienne théorie.
Cependant, il manquait encore à Kepler l'instrument, la lunette, qui, inventée en Hollande en 1608 à des fins de lunette d'approche simple, et perfectionnée par Galilée en 1609 pour des usages en astronomie, permit à ce dernier de réaliser des observations qui confirmaient une fois de plus que la théorie géocentrique était réfutable. L'apport de Galilée fut aussi très important en sciences (cinématique, observations astronomiques, etc.). Il était moins porté sur la scolastique, et considéra que, d'un point de vue épistémologique, il était nécessaire d'expliquer en quoi l'héliocentrisme expliquait mieux le monde que la théorie des anciens (dialogue sur les deux grands systèmes du monde, 1633). Il eut des cas de conscience au sujet de l'interprétation de la Bible (lettre à Christine de Lorraine). Son traité de 1633 lui valut le fameux procès avec les autorités religieuses (juin 1633), qui reçurent mal la théorie, jugée incompatible avec le texte de la Bible. Il fut condamné à mort. Son ami Urbain VIII commua sa peine en assignation à résidence.
René Descartes fit d'abord une carrière de scientifique (travaux en analyse, géométrie, optique). Apprenant l'issue du procès de Galilée (novembre 1633), il renonça à publier un traité du monde et de la lumière (1634), et se lança dans la carrière philosophique que l'on connaît (discours de la méthode, 1637), cherchant à définir une méthode permettant d'acquérir une science juste et exacte, son principe de base étant le doute et le cogito. Critiquant la scolastique, il poussa par la suite le doute jusqu'à remettre en cause les fondements mêmes de la philosophie de son époque (méditations sur la philosophie première, 1641).
L'héliocentrisme fut confirmé par les modèles mathématiques de Newton (1687), et d'autres observations le firent finalement accepter par l'Église catholique (Benoît XIV) en 1714 et 1741, de sorte que les écrits de Galilée furent retirés de l'Index.
Blaise Pascal fit des découvertes en mathématiques (probabilités), et en mécanique des fluides (expériences sur l'atmosphère).
D'autres scientifiques marquèrent cette époque : Leibniz est considéré, avec Newton, comme l'inventeur du calcul infinitésimal et intégral, qui fonde la mécanique classique.
Francis Bacon est considéré, avec le physicien et chimiste irlandais Robert Boyle, comme le fondateur de la méthode expérimentale. En outre, Robert Boyle est considéré comme le fondateur de la philosophie de la nature. Quoiqu'empirique, la méthode expérimentale est extrêmement importante pour valider des théories, elle constitue l'un des fondements de la méthode scientifique moderne.
Au XVIIIe siècle, les sciences de la vie et de la terre connurent aussi un grand développement à la suite des voyages en Afrique et dans le Pacifique : on doit citer Georges Louis Leclerc, comte de Buffon (1707-1788), Carl von Linné (1707-1778), Jean-Baptiste Lamarck (1744-1829).
Le XVIIIe siècle est ausi le siècle de l'inventaire des connaissances. On peut citer l'oeuvre majeure de Denis Diderot et Jean le Rond D'Alembert, l' Encyclopédie ou Dictionnaire raisonné des sciences, des arts et des métiers, publiée entre 1751 et 1772.
Au XIXe siècle, la science continue à se développer à un rythme soutenu :
La biologie connaît également de profonds bouleversements avec la naissance de la génétique, suite aux travaux de Gregor Mendel, le développement de la physiologie, l'abandon du vitalisme suite à la synthèse de l'urée qui démontre que les composés organiques obéissent aux mêmes lois physico-chimique que les composés inorganiques. Et enfin, l'opposition entre science et religion apparaît une nouvelle fois avec la parution de L'Origine des espèces en 1859 de Charles Darwin.
Toujours en biologie, les travaux de Ernst Haeckel voient la naissance de l'écologie, avec l'étude des liens entre les êtres vivants et leur environnement.
Sur un plan purement philosophique, Auguste Comte (qui n'exerça jamais en tant que scientifique), dans sa doctrine positiviste, formule la loi des trois états qui, selon lui, fait passer l'humanité de l'âge théologique (connaissances religieuses), à l'âge métaphysique, puis à l'âge positif (connaissances scientifiques). Dans la deuxième partie de sa carrière philosophique, sa pensée se transforme en une sorte de religiosité.
L'enseignement a une part capitale dans le développement important que connaît la science, ainsi que les techniques, à partir de cette époque. Les États qui ont démocratisé l'enseignement, lui ont fourni un contexte et des moyens favorables à la recherche scientifique ont été ainsi à l'avant-garde durant plusieurs années. L'exemple de la France est assez emblématique, qui suite à la Révolution fait de la science un des piliers de l'enseignement et où une véritable politique de la science voit le jour avec le développement d'institutions existantes (Collège de France, Muséum national d'histoire naturelle, etc.) ou la création de nouvelles (École polytechnique, Conservatoire national des arts et métiers, etc.). Alors que l'enseignement était principalement donné par l'Église, le développement de l'enseignement pris en charge par l'État servait également à laïciser le pays et accentue de ce fait encore plus la séparation de l'Église et de la science. Cette séparation de l'Église et de l'enseignement sera également présente dans d'autres pays comme au Royaume-Uni, mais quelques décennies plus tard.
C'est au XIXe siècle que la science se professionnalise véritablement. Les institutions (universités, académies ou encore musées), bien qu'existant auparavant, deviennent les seuls centres scientifiques et marginalisent les apports des amateurs. Les cabinets de curiosités disparaissent au profit des musées et les échanges qui étaient courants entre savants, amateurs et simples curieux deviennent de plus en plus rares.
Pourtant, il reste bien certains domaines où les travaux des amateurs sont importants pour la science. C'est le cas de plusieurs sciences naturelles, comme la botanique, l'ornithologie ou l'entomologie, avec la publication d'articles dans des revues de références dans ces domaines. L'astronomie est également un domaine où les amateurs ont un certain rôle et ont ainsi découvert des comètes comme Hale-Bopp ou encore Hyakutake.
Tout comme le XIXe siècle, le XXe siècle connaît une accélération importante des découvertes scientifiques. On peut citer plusieurs raisons à cela :
De par le manque de recul, il est difficile de voir la science au XXe siècle de manière historique. Il est donc délicat de déterminer les découvertes charnières, mais on peut tout de même noter plusieurs théories et découvertes d'importances :
Plus les sciences avancent dans la compréhension du monde qui nous entoure, plus elles ont tendance à se « nourrir » les unes des autres. C'est ainsi que, par exemple, la biologie fait appel à la chimie et à la physique, tandis que cette dernière utilise l'astronomie pour confirmer ou infirmer ses théories, entraînant au passage une meilleure compréhension de l'Univers. Et les mathématiques, un corps scientifique plus ou moins à part, deviennent la « langue » commune de bien des branches de la science contemporaine.
La somme des connaissances devient telle qu'il est impossible pour un scientifique de connaître parfaitement plusieurs branches de la science. C'est ainsi qu'ils se spécialisent de plus en plus et pour contrebalancer cela, le travail en équipe devient la norme. Cette complexification rend la science de plus en plus abstraite pour ceux qui ne participent pas aux découvertes scientifiques. Comme le souligne René Taton, ces derniers ne la vivent qu'à travers le progrès technique, occasionnant ainsi un désintéressement vis à vis de certaines branches de la science qui ne fournissent pas d'application concrète à court terme.
Le XXe siècle a connu plusieurs philosophes (comme Russell ou encore Vuillemin) et scientifiques qui ont voulu définir avec précision ce qu'est la science et comment elle évolue. C'est ainsi qu'est née l'épistémologie.
On peut citer deux philosophes des sciences, qui ont marqué de leur empreinte ce domaine :