В пореформенное время была продолжена традиция крупных географических экспедиций. Несколько из них — на Урал, Тянь-Шань и Памир — возглавлял Г. Н. Потанин. Исследование Центральной Азии принесло известность Н. М. Пржевальскому, который был первым европейцем, побывавшим во многих районах Тибетского нагорья. Составленные им описания его экспедиций 1867–1885 гг. демонстрируют, кроме богатейших научных результатов, незаурядные литературные достоинства. П. А. Кропоткин занимался географическим и геологическим изучением Сибири. Антропологические и этнографические исследования в Юго-Восточной Азии вел Н. Н. Миклухо-Маклай; собранный им материал об Океании и ее населении он трактовал в духе единства видов и родства рас. К числу наиболее крупных деятелей географических наук относится А. И. Воейков, автор капитального исследования «Климаты земного шара, в особенности России», заложившего основы мировой климатологии.
1860–1870-е гг. считаются золотым веком российской химии. Профессорами Казанского университета Н. Н. Зининым и А. М. Бутлеровым была создана научная школа в исследованиях по органической химии. Зинин был первым президентом Русского химического общества, открытого в 1868 г., которое позднее преобразовалось в Русское физико-химическое общество. В 1869 г. великим Д. И. Менделеевым был сформулирован один из фундаментальных законов естествознания, на основе которого создана знаменитая периодическая таблица. Круг исследований Менделеева был энциклопедически разнообразен: он занимался учением о растворах, проблемами воздухоплавания, метрологии и др. Как писал СИ. Вавилов, химия в трудах Менделеева «получила новую основу, реформировавшую все химическое мышление».
Уровень биологической науки определялся трудами И. М. Сеченова и И. П. Павлова, которые получили мировое признание. «Отец русской физиологии» Сеченов напечатал в 1863 г. капитальный труд «Рефлексы головного мозга». Первоначальное название исследования — «Попытка ввести физиологические основы в психические процессы» — было изменено по цензурным соображениям и объясняет его огромный не только научный, но и общественный резонанс. Павлов, крупнейший физиолог, чья деятельность началась в 1870—1880-х гг., был учеником и единомышленником Сеченова. Ему первому из русских ученых была присуждена в 1904 г. Нобелевская премия. В области зоологии прославились А. О. Ковалевский и И. И. Мечников, создавшие сравнительную эволюционную эмбриологию. Позже Мечников стал заниматься сравнительной патологией и микробиологией, достигнув в них выдающихся результатов. Он стал основоположником иммунологии, открыв явление фагоцитоза и обосновав учение о защитных свойствах организма. Эти труды принесли ему Нобелевскую премию. Выдающуюся роль в изучении физиологии растений имели работы К. А. Тимирязева, исследователя процесса фотосинтеза, заложившего основы научной агрономии.
В 1895 г. А. С. Попов на заседании Русского физико-химического общества сообщил об изобретении им радиотелеграфа. Выдающимися электротехниками были П. Н. Яблочков, создавший дуговую лампу и первым осуществивший трансформацию переменного тока, и А. Н. Ладыгин, который изобрел лампу накаливания.
Большое научное значение играли съезды специалистов в различных областях знаний. В 1861 г. по инициативе К. Ф. Кесслера и Н. И. Пирогова состоялся съезд естествоиспытателей, а зимой 1867/68 г. — всероссийский съезд естествоиспытателей и врачей. До конца 1890-х гг. подобных съездов прошло более десяти. Если в первых съездах принимали участие сотни приглашенных, то позднейшие собирали до нескольких тысяч ученых. С 1885 г. проходили медицинские «Пироговские съезды», имевшие большой общественный резонанс. Регулярно созывались археологические съезды, которых с 1869 по 1899 г. состоялось 11. Значительное распространение получили местные и всероссийские сельскохозяйственные съезды, на которые собирались практики земледелия и скотоводства, агрономы, землемеры, мелиораторы, биологи. Съезды периодически издавали «Записки», «Труды», «Протоколы», сообщавшие научной общественности о достижениях науки.
Рост мирового рынка, усложнение народно-хозяйственных связей сопровождался развитием не только экономических, но и научных контактов. Русские ученые совершали длительные поездки в зарубежные научные центры, участвовали в лабораторных и экспериментальных исследованиях, выступали с научными речами и курсами лекций, печатали свои труды в зарубежной научной литературе, где пользовались значительной популярностью. К. Н. Тимирязев говорил в 1894 г.: «Возьмите теперь любую книгу иностранного научного журнала, и вы почти наверное встретите русское имя». Россия не раз становилась местом международных научных съездов, ее представители участвовали в международных конгрессах за границей.