В конце XIX – начале XXвв. Российская наука выходит на передовые рубежи. В различных ее областях в это время появились ученые, чьи открытия меняют традиционные представления об окружающем мире. В сфере естественных наук такую роль сыграли труды физиолога И. П. Павлова. Небывалым всплеском характеризовались исследования в области биологии, психологии, физиологии человека. И. П. Павлов создал учение о высшей нервной деятельности, об условных рефлексах. В 1904 г. ему была присуждена Нобелевская премия за исследования в области физиологии пищеварения.
Физик П. Н. Лебедев впервые в мире установил общие закономерности, присущие волновым процессам различной природы (звуковым, электромагнитным, гидравлическим и др.)" сделал иные открытия в области физики волн. Он создал первую в России физическую школу.
Основы новых наук (биохимии, биогеохимии, радиогеологии) были заложены в конце XIX – начале XX вв. В. И. Вернадским. Обгоняя свое время, работали ученые, посвятившие себя развитию принципиально новых областей науки. Н. Е. Жуковский, сыгравший огромную роль в становлении воздухоплавания, заложил основы современной гидродинамики и аэродинамики. Жуковский с начала 20 в. уделял этим вопросам свое основное внимание. Вместе с ним работала большая группа его учеников, из которых впоследствии выросли крупные специалисты в разных областях авиационной науки и техники. В 1902 под руководством Жуковского при механическом кабинете Московского университета была сооружена одна из первых аэродинамических труб в Европе. В 1904 под его же руководством в поселке Кучино под Москвой был построен первый в Европе аэродинамический институт. В том же году Жуковский организовал воздухоплавательную секцию при Московском обществе любителей естествознания, антропологии и этнографии. В 1910 при непосредственном участии Жуковского была открыта аэродинамическая лаборатория в МВТУ.
После Октябрьской революции 1917 Жуковский вместе с руководимыми им молодыми учеными активно включился в работу по созданию новой советской авиации. В декабре 1918 правительственным постановлением был учрежден Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ), причем его руководителем был назначен Жуковский. Созданные Жуковским теоретические курсы для военных летчиков были реорганизованы в Московский авиационный техникум, на базе которого в 1920 был создан Институт инженеров красного воздушного флота, преобразованный в 1922 в Военно-воздушную инженерную академию имени профессора Н.Е. Жуковского.
Ряд исследований Жуковского был посвящен теории движения тяжелого твердого тела вокруг неподвижной точки, причем эти исследования были замечательны примененным в них геометрическим методом. Много внимания Жуковский уделил проблеме устойчивости движения. Ей была посвящена его докторская диссертация «О прочности движения» (1879, издана в 1882), послужившая основой для исследования устойчивости аэропланов в воздухе. Несколько работ было посвящено теории гироскопов.
Жуковский выполнил ряд исследований по уравнениям в частных производных и по приближенному интегрированию уравнений. Он первым стал широко применять в гидро- и аэродинамике методы теории функций комплексной переменной. В статьях по теоретической астрономии Жуковский затрагивал теорию кометных хвостов, дал простой способ определения элементов планетных орбит.
Научные заслуги Жуковского нашли высокую оценку в специальном декрете Совета Народных Комиссаров в декабре 1920.
Учеником и соратником Жуковского был С. А. Чаплыгин - российский ученый, один из основоположников аэродинамики, академик АН СССР (1929).Создал труды по теоретической механике, гидродинамике, аэродинамике и газовой динамике.
У истоков современной космонавтики стоял самородок, учитель калужской гимназии К. Э. Циолковский. В 1903 г. он опубликовал ряд блестящих трудов, обосновавших возможность космических полетов и определявших пути достижения этойцели. Он впервые обосновал возможность использования ракет для межпланетных сообщений, указал рациональные пути развития космонавтики и ракетостроения, нашел ряд важных инженерных решений конструкции ракет и жидкостного ракетного двигателя. Технические идеи Циолковского находят применение при создании ракетно-космической техники.
Выдающийся ученый В. И. Вернадский получил мировую известность благодаря энциклопедическим трудам, послужившим основой для появления новых научных направлений в геохимии, биохимии, радиологии. Его учения о биосфере и ноосфере заложили основу современной экологии. Новаторство высказанных им идей в полной мере осознается только теперь, когда мир очутился на грани экологической катастрофы.
Вернадский внес существенный вклад в минералогию и кристаллографию. В 1888-1897 он разработал концепцию структуры силикатов, выдвинул теорию каолинового ядра, уточнил классификацию кремнеземистых соединений и изучил скольжение кристаллического вещества, прежде всего явление сдвига в кристаллах каменной соли и кальцита. В 1890-1911 разработал генетическую минералогию, установил связь между формой кристаллизации минерала, его химическим составом, генезисом и условиями образования. В эти же годы Вернадский сформулировал основные идеи и проблемы геохимии, в рамках которой им были проведены первые систематические исследования закономерностей строения и состава атмосферы, гидросферы, литосферы. С 1907 Вернадский ведет геологические исследования радиоактивных элементов, положив начало радиогеологии.
В 1916-1940 сформулировал главные принципы и проблемы биогеохимии, создал учение о биосфере и ее эволюции. Вернадский поставил задачу количественного изучения элементного состав живого вещества и выполняемых им геохимических функций, роли отдельных видов в превращении энергии в биосфере, в геохимических миграциях элементов, в литогенезе и минералогенезе. Им были схематично очерчены главные тенденции в эволюции биосферы: экспансия жизни на поверхности Земли и усиление ее преобразующего влияния на абиотическую среду; возрастание масштабов и интенсивности биогенных миграций атомов, появление качественно новых геохимических функций живого вещества, завоевание жизнью новых минеральных и энергетических ресурсов; переход биосферы в ноосферу.
В 1903 выходит в свет монография Вернадского: «Основы кристаллографии», а в 1908 начинается выход в свет отдельными выпусками «Опыта описательной минералогии».
В 1907 Вернадский начинает исследования радиоактивных минералов в России, в 1910 — создает и возглавляет Радиевую комиссию Академии наук. Работа в КЕПС стимулировала развертывание систематических исследований Вернадского по проблемам биогеохимии, учении о живом веществе и биосфере. В 1916 он приступает к разработке основных принципов биогеохимии, изучению химического состава организмов и их роли в миграции атомов в геологических оболочках Земли.