近代科学是伴随着文艺复兴开始的。文艺复兴是指中世纪末起，以意大利为中心所掀起的新文化、新思想运动，时间是从14世纪一直持续到16世纪。但丁的《神曲》和薄迦丘的《十日谈》拉开了这个时期的序幕。达·芬奇的《蒙娜·丽莎》、《最后的晚餐》，拉斐尔的《圣母玛利亚》，米开朗基罗的《大卫》、《摩西》等绘画和雕塑，以及莎士比亚、塞万提斯等人在文学领域的复兴著作，都是这个时代最杰出的成果，他们讴歌着人性的解放，呼唤着理性和自由。重见天日的希腊和罗马古籍像一缕清新的海风吹进被中世纪沉闷压抑的气氛中。诗人、画家和文学家们的创作和探索激起了人们对自然现象的新的兴趣。在这样一个思想解放的时期，弘扬人性的氛围中，科学在一系列革命性的成果推动下，进入了一个崭新的时代。
文艺复兴是要从古代文化中吸取民主思想和理性主义，产生新的世界观，以与封建的宗教世界观相抗衡。文艺复兴运动的主旨是肯定人的价值，要求运用文学艺术表达人的思想感情，主张教育要发展人的个性，社会要发挥人的才能，满足人的欲望，这些主张构成被人们称为“人文主义”的思潮。这股思潮有力地冲击了中世纪以来形成的教会的绝对权威，解放了人的思想。文艺复兴运动不仅造成了欧洲近代文学和艺术的繁荣，产生了大量的文学艺术史上不朽的戏剧、小说、绘画和雕刻作品，同时也有力地促进了自然科学的解放。文艺复兴破除了人们对宗教神圣不可侵犯的迷信，培育了自由研究的精神，引导人们去观察和研究自然界。古典学术的复兴使那时的知识分子了解到古希腊罗马十分活跃的学术思想和科学技术成就，这不仅鼓舞了他们进行独立思考的勇气，而且为他们研究科学技术提供了丰富的思想营养和方法启示。为近代科学奠基的著名人物哥白尼、伽利略、维萨留斯和哈维等，都是在文艺复兴的氛围中成长的通晓古典学术的大师。他们从古代人那里找到了自己学说的种子和雏形，并且敢于对抗宗教的势力，提出离经叛道的新的科学学说。
在某种程度上，近代思想基本上是古代的复活，是借助古代学术而问世的。近代科学在它的早期阶段，也是得益于古代流传下来的天文学、数学和生物学等论著，其中更有阿基米德的力学论著以及亚历山大里亚的维特鲁维乌斯等的技术著作。
达·芬奇（意大利，1452—1519）是文艺复兴时期的最为杰出的人物。在他的身上集中体现了文艺复兴的精神，他是一个多才多艺学识渊博的文化巨匠，人类历史上罕见的全面发展的伟人。他为我们留下的五千页“札记”中充满了以实验为基础的科学思想，到处表现出他对实验和经验的尊重，他不仅是一位留下像《蒙娜·丽莎》和《最后的晚餐》等12幅名画的杰出的画家和雕刻家，更为重要的他还是通晓各种科学知识的科学家和精通工程、建筑、土木、水利、兵器等各种技术的工程师。达·芬奇是一个非常注意把自己的具体工作和科学技术联系在一起的天才人物。据说为了塑造一位将军骑马的青铜像，他画了大量不同姿势的马的画稿，作了马的解剖，研究了炼铜炉、风箱以及蒸汽、热和光，还考察了利用热的抽水机等等，整整花费了16年的时间。达·芬奇又是一位重视自然的哲学家，他曾经对在远离海边的地层发现贝壳感到惊异，并坚持自己地质变迁的基本理论观点；他曾经观察鸟飞行的方法，借以发明滑翔机；他还经常的到纺织厂、铁厂、大炮铸造厂去观察机械的结构，他设计了压力计，发明了压缩蒸汽点火枪，还为佛罗伦萨设计了防洪工程，为法国制定过运河的建设计划。达·芬奇把自己长期研究和考察的结果都详细地记录在自己的札记中，他不懈地对自然进行观测和探求自然规律的精神，努力把自然的力和科学的力结合在一起，坚持“自然界不破坏自己的规律”的思想，使他成为那个时代最伟大的科学人物。
随着资本主义的快速发展，从15世纪下半叶开始，新兴的欧洲要求扩大贸易和到海外去寻找财富的意愿越发强烈，加之原来东西方贸易的陆路通道由于土耳其的扩张而受阻，海路通道又为阿拉伯人所垄断，因此欧洲人试图渡过大西洋，另辟通往印度和中国的通路，远洋航海和探险事业由此应运而生。当时的欧洲已经有了多帆船，能够在大海上张开数个帆顶风自由地航行，此时虽然有了指南针，不过还没有人敢于横渡过一望无际的大西洋。
在多种社会力量的推动下，欧洲掀起了航海探险的热潮，出现了一大批探险家。哥伦布（意大利，1446—1506）就是其中著名的一位。哥伦布14岁就上船出海，曾当过海盗。在热那亚时，他大概已学会了绘制地图，并具有了比较丰富的航海经验。那时意大利热那亚是欧洲航海业的中心，在造船以及航海器材和航海图的制作方面均有较高水平。1476年，他服务的那条船被法国舰队击沉，幸好出事地点离葡萄牙海岸不远，他靠一根漂浮的长桨上了岸，后来到了里斯本。而那时他的兄弟巴托洛缪·哥伦布正好在里斯本经营绘制、出售航海图的生意。
受托勒密的影响，哥伦布确信，地球是圆的，从西方的边缘到东方的边缘的陆上距离非常遥远，而西班牙到印度之间的海路距离很近。根据一系列错误的判断，哥伦布计算出亚洲的位置几乎正好是在美洲的大西洋海岸。
1484年，哥伦布向葡萄牙国王提出了关于开辟西方航线到达印度群岛的计划并希望国王投资于这项探险活动。但国王的顾问们认为，哥伦布大大低估了西航到亚洲的路程，因而他的要求没有被接受。尤其是在1488年迪亚斯绕过好望角并发现确有一条通向印度的东方航线之后，哥伦布在葡萄牙就失去了任何希望。
哥伦布只好把希望寄托到葡萄牙的竞争对手西班牙身上。1492年，西班牙国王在几经犹豫之后，终于同意资助哥伦布的探险计划，他得到了百万金币的装备。1492年8月3日，哥伦布率领87名船员，乘“圣玛利亚”号、“品脱”号、“尼雅”号3艘帆船驶离海岸，开始了历史性的航行。为了避开北大西洋强劲的西风，他先向南航行至加那利群岛，然后借助于东北贸易风，转航西方，经七十昼夜的艰苦航行，1492年10月12日凌晨终于发现了陆地。哥伦布以为到达了印度，后来人们知道，哥伦布登上的这块土地，属于现在中美洲巴勒比海中的巴哈马群岛，他当时为它命名为圣萨尔瓦多，这是欧洲人第一次发现并登上新世界的土地。随后，哥伦布又到了一些岛屿，寻觅想象中的黄金，最后在海地岛（哥伦布将其命名为埃斯帕诺拉）建立了一个据点，并留下了部分船员。1493年3月，他返航西班牙，受到隆重欢迎。他满怀信心地报告，他已到达了“印度群岛”。
1493年9月，哥伦布率领1000多船员和17条帆船第二次启程西航。到达埃斯帕诺拉后，发现当初留下的船员已全部被当地土著所杀，于是船队到了今多米尼加北部海岸，在这里建立了欧洲人在美洲的第一个城市伊萨贝拉。随后，他又发现了牙买加。而在他到达古巴西端的科尔特斯湾时，海岸线开始折向南方，他却以为自己已经到了黄金半岛（马来半岛）东海岸的开端，并相信在其终端会出现通往印度洋的海路。然而，就在他只要再继续向前航行几十英里就能发现这里只是一个岛屿的时候，由于船只破损，给养不足和船员的不满，他决定返航。
1498年3月，哥伦布第三次西航，发现了特立尼达岛，随后还登上了南美大陆，但他又把自己登陆的土地误认为是海岛。
1501年，哥伦布第四次远征，发现了古巴以南的大陆即中美洲海岸，并考察了大约1500公里的加勒比海西南海岸。1506年5月20日，哥伦布死于贫病交加之中。
就在哥伦布航海探险期间，意大利另一个航海家亚美利加考察了南美洲东北部沿海，断定这个地区不是印度，而是一块新大陆。后来，人们用他的名字给新大陆命名为亚美利加洲（America）。而哥伦布发现了新大陆，但他自己至死都以为是到了东方的印度群岛。所以至今地理上仍称加勒比海域各岛为西印度群岛。
与此同时，葡萄牙的达·伽马（1460—1524）开始了开拓欧印航线的探险。达·伽马出生于葡萄牙一个名望显赫的贵族家庭，其父也是一名出色的航海探险家，曾受命于国王若昂二世的派遣从事过开辟通往亚洲海路的探险活动，几经挫折，宏大的抱负竟未如愿所偿而却溘然去世了。达·伽马的哥哥巴乌尔也是一名终生从事航海生涯的船长，因此，达·伽马是一名青少年时代受过航海训练，出生于航海世家的贵族子弟。
1497年7月8日，达·伽马奉葡萄牙国王曼努埃尔之命，率领四艘船共计140多船员，由首都里斯本启航，踏上了去探索通往印度的航程。经过艰苦的努力，终于于1498年5月20日到达了印度南部大商港卡利卡特。1499年9月，达·伽马带着仅剩下一半的船员胜利地回到了里斯本。
完成绕地球一周使命的是葡萄牙人麦哲伦（1480—1521）和他率领的船队。麦哲伦是葡萄牙航海家，青年时期曾随远洋船队到过印度和马六甲，1512年—1513年初，足迹遍及苏门答腊、爪哇、西里伯斯（今苏拉威西岛）、班达群岛等地，为环球远航积累了丰富的航海经验。1518年3月，西班牙国王接受了麦哲伦提出的探险计划。经过一年半的准备，麦哲伦于1519年9月20日率领了5条帆船离开了西班牙南部港口圣卢卡尔，开始了他的著名远航。经过两个月的航行，探险船队到了巴西的东端，并由此沿海岸向西南方向航行，仔细搜寻可能的海峡通道。1520年3月，船队到了约在南纬49°的圣胡利安港，并在此休整过冬。1520年8月24日继续南下通过“麦哲伦海峡”，驶入了“大南海”（即太平洋）。此后，麦哲伦和他的探险队看到的是一望无际的海洋。由于在此后的航行中，他们再没有遇到风暴，就将这片海洋称为“太平洋”。
麦哲伦首先沿南美洲西海岸向北航行了一段距离，然后转向西北，于1521年2月在西经158°处越过了赤道，3月6日到达关岛。在停留了3天之后，他们又航行了一个星期，来到菲律宾群岛，这是欧洲人从未到过也从未提及过的一个群岛。3月底，船队驶抵马萨瓦岛，在这里，当年麦哲伦在马六甲买的一个奴隶、这次随他远航的仆人，听到了自己的母语。麦哲伦意识到，他已到达了马来语地区。他终于找到了向西航行通向东方的航路，而这是哥伦布和其他许多探险家所未能找到的。他实际上已经完成了环球航行，他已经证明了地球是圆的，在海洋上朝着一个方向航行，最终能够回到出发地点。1521年3月，麦哲伦船队到达菲律宾群岛，因参与岛上部族的战争，在4月初的一次争斗中麦哲伦受重伤而死。其余船员们分乘剩下的两条船，于11月8日抵达印度尼西亚东北部的马鲁古群岛，即摩鹿加群岛——欧洲人梦寐以求的“香料群岛”。在这里又留下了一条必须修理的帆船，只有“维多利亚号”一条船开始了绕地球半圈的回程航行。1522年9月6日，“维多利亚号”在经过了将近3年的艰苦航行之后，回到了西班牙的圣卢卡尔港，最初的260人，只剩下了18人。这次人类历史上空前的航行，证实了所有的海洋都是互相连接不可分割的，纠正了原有的错误概念，从而使人类认识了自己生活的这个星球的真像。
这一时期的航海探险都是在基本上无法准确测定经纬度的时代进行的，除了它的经济成果以外，也使得整个欧洲在观念上发生了巨大的变革。航海探险大大激发了人们探索自然的热情，也极大地鼓舞了人们征服自然、利用自然的勇气。值得指出是，中国古代的发明经过各种渠道从大约12世纪起陆续传入欧洲，使整个欧洲出现了生气勃勃的景象。其中指南针成为了欧洲航海和地理大发现中必不可少的观测工具。
