18世纪欧洲就开展了大量的植物杂交的实验。德国植物学家克尔罗伊特在18世纪60年代首先从事各种烟草的杂交试验，发展了人工杂交技术。他发现无论是正交还是反交，杂种的外表都难以区分，由此他指出在决定杂种性质时，两个亲本起着同等的作用。他通过与亲种反复回交的方法，把亲种的性质逐步转移给了杂种。但由于当时受物种不变信念的影响，他的试验结果未得到重视。19世纪40年代德国植物学家格特纳在实验方法和对杂种及其亲种的比较描述方面，较之前人又有了很大的进展。他细致分析了9000多个实验的结果，发现纯种之间杂交总是产生相同形态的杂种；认为杂种形成不像一种化学过程，而类似于动物的生殖过程。他早在19世纪20年代就统计出玉米杂交第二代的性状分离比率为3.18∶1，但无法给予解释。达尔文曾高度评价格特纳的工作，认为他的研究价值超过了所有其他学者的总和。以后，法国植物学家诺丹在60年代发现杂种第一代表现一致，而第二代则出现杂乱的变异，各种类型的数目，完全由机遇决定。认为“配子的纯度”和各种杂交类型的产生都服从于概率定律。
此外，还有一批植物育种工作者长期从事品种间杂交。他们经常研究植物的个别性状，并在许多世代中追踪其结果。其中法国农学家萨热雷于1826年就两个甜瓜品种5组相对性状做了杂交试验，根据杂交结果，他指出性状的自由组合，并引进了“显性”的概念。另外，这期间欧洲有些育种学家已发现豌豆作为杂交育种实验材料的优越性。以上的大量工作，均为以后发现遗传规律奠定了基础。
奥地利布隆修道院修道士孟德尔对植物杂交和遗传现象很感兴趣，仔细阅读过前人的工作，包括格特纳的著作。他于1856年开始从事豌豆杂交试验，由于受翁格尔关于研究变种是解决物种起源的关键这一思想的影响，他采用了种群分析法，而不是研究单个个体。他选择了豌豆品种这一理想材料作为研究对象，又把工作限于彼此间差异十分明显的单个性状的遗传过程，而使实验结果大大便于统计分析。经过8年研究，孟德尔于1865年2月8日和3月8日两次在布隆自然科学协会上报告了他的实验研究结果。反映实验结果的论文《植物杂交的试验》发表在1866年《布隆自然科学协会会刊》第四卷上。他的主要结果可概括为：①分离规律。杂交第一代通过自花授粉所产生的杂种第二代中，表现显性性状与表现隐性性状个体的比例约为3∶1；②自由组合规律。形成有两对以上相对性状的杂种时，各相对性状之间发生自由组合。孟德尔为解释这些结果，提出一些假设。如遗传性状由遗传因子所决定，每一植株含有许多成对的遗传因子；每对遗传因子中，一个来自父本雄性生殖细胞，一个来自母体雌性生殖细胞；当形成生殖细胞时，每对遗传因子互相分开，分别进入一个生殖细胞等等。他的实验结果及其假设表明遗传绝不是融合式的，而是“颗粒式的”，亦即决定某一相对性状的成对遗传因子在个体内各自独立存在，互不沾染，不相融合。刊载孟德尔这一突破性的重大研究成果的《布隆自然科学协会会刊》曾被分送到120个单位，在欧洲很多图书馆内都可找到这篇论文。他本人还把论文寄给当时植物学界的权威人士内格利。但他的成就对他同时代的生物学家和有关遗传的研究没有产生影响，被埋没了35年之后，直到1900年才被重新发现。
与孟德尔同时代的达尔文在1868年出版的《动物和植物在家养下的变异》一书中，提出“泛生论”的暂定假说，说明他并未看到孟德尔的论文。达尔文设想体内的各类细胞中，均具有代表其自身的胚芽。杂种内的镶嵌特征是亲本胚芽混合所致。他认为在生活周期的任何阶段细胞都可放出胚芽，胚芽随血流循环，通过分裂而增殖并发育成同样的细胞。胚芽也可积累在生殖细胞内，并传递给后代。当环境条件发生变化时，胚芽也会发生改变，并将此新的获得特性传给后代，但是达尔文的这一假说很快就被其表弟高尔顿的输血实验所推翻。
1884年内格利根据受精卵内卵子原生质多于精子原生质但并不体现出更多遗传性状的事实，推测有两种原生质。一种称种质。它在卵细胞和精子细胞内是等量的，控制个体发育和系统发育，是遗传性状的携带者和变异的决定者；另一种为营养质大量贮存在卵内，主要起营养作用。内格利的上述观点，对施特拉斯布格、赫特维希、克利克、魏斯曼等后来提出核物质是遗传性状的载体，很有影响。
1691年，德国植物学家卡梅拉里乌斯发现雌性桑树及移植的一年生山靛在附近没有雄树情况下不能产生种子。1694年他根据详细观察和移去雄花实验，证明花药是植物的雄性器官，子房与花柱是雌性器官。德国植物学家克尔罗伊特于1761～1766年认识到昆虫对传粉的重要作用，他用实验证明当用同种花粉与异种花粉同时向一种植物的柱头传粉时，一般只有前者能起受精作用。1793年德国的施普伦格尔指出由于许多花是雌雄异株的，雌雄同株的花也很可能是雌雄异熟的，因而植物界存在同种不同花之间或同种不同个体之间的杂交。
1830年意大利天文学家、显微镜制造者阿米奇观察到花粉管进入子房并进入胚珠的珠孔。1879年德国植物细胞学家施特拉斯布格确定花粉粒中通常有二核结构，并且他的学生还看到了3个核。施特拉斯布格描述了胚囊发育与精卵结合，但不了解另一精子的去向。直到1898年俄国植物学家纳瓦申发现被子植物双受精现象，才揭示了受精的全过程。
18世纪前叶一些学者在隐花植物中寻找与被子植物相似的两性器官。他们发现藓类的精子器和颈卵器相当于被子植物的雄蕊和子房。以后瑞士植物学家内格利于1844年发现蕨类原叶体上的相应结构。德国植物学家霍夫迈斯特于1849年确定了游动精子与颈卵器内卵细胞的受精，指出藓类和蕨类的生长发育为有性生殖所中断，成为一种世代交替。这在具有维管束的隐花植物内发生于萌发后不久，而在藓类内则晚得多。1855年德国植物学家普林斯海姆首先在一种最普通的藻类中观察到受精的具体过程。
植物营养研究可以说是从黑尔蒙特所做著名的柳树桶栽实验开始的。17世纪早期比利时人黑尔蒙特把一棵柳树种在一桶土内，只浇雨水，5年后长到约170磅，而桶内土壤损失极少，18世纪英国的黑尔斯测定了从根吸收的水和从叶面散失的水，以确定蒸腾作用，并与土壤湿度相较，查明了二者的关系。并计算植物茎内水的上升速率，证明与叶子蒸腾速率有关。
他于1727年提出植物通过叶子吸收空气中的某些成分，使它转变为植物体内的固体成分。1771年英国牧师和化学家普里斯特利根据容器内不更换空气则燃烧不能持久，动物不能继续存活的实际观察，推测自然界有复原空气的途径，并通过在玻璃罩内放入绿色薄荷的实验证明植物可以恢复因蜡烛燃烧而“损坏了”的空气。继而荷兰人奥地利宫廷医生英恩豪斯于1779年在3个月内做了500多次植物对空气影响的试验，指出植物只能在阳光下通过其绿色部分改善空气，在阴暗处或夜间，植物也会“损坏”空气。1782年，瑞士牧师塞内比埃证明植物利用溶于水的“燃烧过的空气”可恢复空气的活性。随后，日内瓦的化学家索绪尔于1804年指出植物产生的有机物总量及释放的氧远超过所消耗的二氧化碳，由此断定光合作用还必须以水为反应物，从而查明了光合作用是绿色植物以阳光为能源，以二氧化碳和水为原料而形成有机物和氧的过程。1845年德国医生迈尔引入能量概念，指出植物可以把太阳能转变为化学能贮存起来，成为能量的供给者。随后，德国植物生理学家萨克斯把物质消耗与物质运输和同化作用联系起来进行研究，并总结出叶绿素中的淀粉是同化作用的最初产物，是到处被消耗并贮藏于某些器官内的物质。他指出淀粉不是一次化学变化就产生的，而是在叶绿素内发生一系列化学变化的结果。