身为生物学家，亚里士多德不怕把手弄脏。他率先有系统地汇整前人的观察结果，搜罗对象不仅是哲学家，还包括渔夫、农夫、旅行者及其他对动物有第一手知识的人。更重要的是，他以多年的时间去耐心地观察、研究与解剖动物。他总共描述了将近600种物种，包括昆虫、甲壳类、鱼类、两栖动物、爬虫类、哺乳类与鸟类。他的观察品质相当卓越，例如他发现盲鼹鼠有一双隐藏的眼睛；雌土狼尽管有类似雄性的生殖器，但并不是雌雄同体；河鲶鱼是由雄性照顾幼鱼。他非常细心地研究蜜蜂，试图了解它们如何繁殖。在这个过程中，他成为2100年来第一个注意到蜜蜂舞蹈语言的人。

亚里士多德在论述生物学的著作中，清楚地将观察置于理论之上。在提出关于蜜蜂繁殖的结论后，他加上：“然而事实尚未完全确定，若真能确定的话，则应先信任观察而非理论，唯有与观察结果一致的理论方可信任。”他还跳脱出爱奥尼亚前辈的思维，将焦点从万物如何形成，转换至它们的现况。他埋首研究真实的、活生生的生物，这一点跟前人及他的老师有很大的差别。苏格拉底曾经说：“我决定通过决定现实真相的辩论，摆脱感觉造成的混淆。”柏拉图判定先前的哲学家会重生为鸟类或鱼类，因为他们“注意天上的物体，单纯到以为有关这些物质最确凿的证据是眼中所见”。

亚里士多德甚至超越自己的研究成果。在逻辑学的领域里，他是分类大师。他发明了“排中律”，即单一类别无法同时包含特定性质以及与其相反的性质。这个定律在数与形式逻辑上非常适用，以数而言，数不是奇数就是偶数，不是质数就是复合数。但在真实世界，这个定律却碰上了麻烦。椅子可以当睡椅使用，橘色会变为黄色；有不会飞的鸟，也有会飞的哺乳动物。亚里士多德想要分类所有的生物，认为这是使生物学成为真正科学的第一步。但他发现无法有逻辑地分类动物，至少不能把它们当作以预制模铸造的硬币一般处理。他反而花了许多年的时间，将相似处与差异处汇总，记下关系远近的征象，并试图辨识出自然本身的归类。他看出有些物种拥有共有特定的重要特征，例如有羽毛或鳞、为温血或冷血、只栖身在水中或只在陆地、以卵生或胎生繁殖。亚里士多德从这类的共同特征，识别出许多我们今天认定的主要动物分类。由于他是根据自然而非以人工方式进行归类，因此能正确地将许多物种分类。例如，他了解鲸鱼与海豚并非鱼类而是哺乳类，并且以惊人的客观性指出猩猩与人类的关系相近。

当然，若是没有理论，亚里士多德也不可能会有进展。在对物理学的研究中，他大力强调热与冷的性质。有时这种做法很有用，例如他因此能用温血或冷血作为动物的明确特征。但在其他领域，这却让他迷失方向。例如，他认为肺的主要功能是冷却身体。此外，他仍无法完全跳脱柏拉图的完美观，并且试图将动物从最不完美排列到最完美。后来他相信生物有其独特性，一种能令物质变得有活力并具有形态的灵魂或生命力。他认为“灵魂”是由雄性通过精子传送给雌性的。

如我们所知，西方科学随着罗马帝国的灭亡而进入漫长的蛰伏期。当西方在将近1000年后终于苏醒时，它重新发现亚里士多德，并尊称他为“最博学的大师”。中世纪的学者大量吸收他的观点，而且绝大部分是在不加批判的情况下照单全收。在物理学等许多领域，科学唯有扬弃亚里士多德学派的思路，直接探索自然，才有可能进步。但是生物学的情况不同，亚里士多德已经指出一条路，不是提供一整套的柏拉图系统，而是以自己作为博物学家进行研究的模范，他可说是世界上第一位也是最好的博物学家。他创建了生物学这门科学，提出深奥的问题，并证明这些问题是可以回答的，只不过寻找答案唯一的途径是耐心辛苦地和大自然进行对话。