试验是实验的一种，大多带有盲目性。
观察和描述方法有时要对研究对象作某些处理，但这只是为了更好地观察自然发生的现象，而不是考察这种处理所引起的效应。实验方法则是人为地干预、控制所研究的对象，并通过这种干预和控制所造成的效应来研究对象的某种属性，突出某种效应而避免其他效应对这种效应的干扰。实验意味着不仅要进行精确的操作，同时是对一种设想的验证。用实验的方法研究某一生命过程，要求根据已有事实提出假说，并根据假说推导出一个可以用实验检验的预测，然后进行实验，如果实验结果符合预测，就说明假说是正确的。在这里，假说必须是可以用实验加以验证的，而且只有经过实验的检验，假说才可能上升为学说或理论。实验方法大大加强了研究工作的精确性，是“假说-演绎法”中必须具有的一个环节。
17世纪前后生物学中出现了最早的一批生物学实验，如英国生理学家哈维关于血液循环的实验，荷兰的黑尔蒙特（Van Helmont，1577-1644年）关于柳树生长的实验等。然而在那时，生物学的实验并没有发展起来，这是因为物理学、化学还没有为生物学实验准备好条件。很多人甚至认为，用实验方法研究生物学所起的作用很小。到了19世纪，物理学、化学比较成熟了，生物学实验就有了坚实的基础。实验方法首先在生理学领域得到运用，19世纪70-80年代，德国植物生理学家萨克斯（Julius Sachs，1832-1897年）领导的植物学派对实验方法在生物学中的运用起到了特别重要的作用。
19世纪80年代，实验胚胎学家鲁（Wilhelm Roux，1850-1924年）将实验方法引入原先注重描述性工作的胚胎学领域，然后细菌学和生物化学相继成为明确的实验性学科。
实验方法成为生物学主要的研究方法后，生物学发生了巨大变化，成为精确的实验科学。19世纪80年代，实验方法进一步被应用到胚胎学、细胞学和遗传学等学科。到了20世纪30年代，除了古生物学等少数学科外，大多数生物学领域都因为应用了实验方法而取得了新进展。随着现代物理学、化学的发展，生物学新的实验方法纷纷出现，生物学实验技术在20世纪突飞猛进。层析、分光光度法、电泳、超速离心、同位素示踪、X射线衍射分析、示波器、激光、电子计算机等相继应用于生物学研究。细胞培养、细胞融合、基因操作、单克隆抗体、酶和细胞固定化以及连续发酵等新技术纷纷建立，使生物学实验中对条件的控制更为有效、严格，观察和测量更为精密，这就有可能详尽地探索生物体内物质、能量和信息的动态过程。由新型实验技术发展而来的生物工程，包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程和蛋白质工程，已经成为当代新技术革命的重要内容。
生物实验不仅是生物学发现的源泉，实验结果还是验证生物理论的重要证据。19世纪，关于生物进化的机制问题，存在拉马克学派的“用进废退”学说和达尔文学派的“自然选择”学说长期争论不休的论战。莱德伯格（Joshua Lederberg，1925年-）用影印接种法进行的抗药菌株实验无可争辩地结束了两派的论战。实验结果表明，耐药性的遗传来源于变异而不是“用进废退”。因此，达尔文学派取得了胜利。
科学实验是以认识世界为目标的探索，它不是盲目的行为，而是在人类理性指引下进行的变革现实的活动。在生物学研究中，无论进行何种实验，在着手进行之前，总得确定以下几个环节：①实验内容，即实验要解决什么问题，探索哪方面的生物规律，预期要取得何种成果；②实验工具，即实验要用到哪些装备和仪器；③实验材料，即实验要选择哪些生物作为实验对象，才能较为明显、较迅速地观察需探索的生物属性和规律；④实验程序，即如何运用实验工具对全部实验过程进行总体设计；⑤实验结果分析，用哪些方法对结果进行分析才能使其更真实。如果没有确定这几个环节，任何科学实验都不可能顺利进行，甚至不能全部实现实验目的。只有在理论的指引下才能明确这几个环节。实验离不开理论的指导，而理论得通过实验证实，只有理论与实验相结合，才能做好生物学研究。
在设计实验时，巧妙设计实验很重要，它能以最简单的方法揭示问题的关键。法国微生物学者巴斯德（Louis Pasteur，1822-1895年）是这方面的典范。新鲜的食品在空气中放久了会腐败变质，其中会滋生微生物。这些微生物从何而来？当时有一种观点认为，微生物来自食品和溶液中的无生命物质，是自然发生的——“自然发生说”。巴斯德实际上是“创世说”的忠实信徒，他认为一切生命都是上帝创造的。为了扞卫创世说，他通过自己精巧的实验给持“自然发生说”观点的人以有力的反驳。
巴斯德设计了一个鹅颈瓶（曲颈瓶），现称巴斯德烧瓶。烧瓶有一个弯曲的长管与外界空气相通。瓶内的溶液加热至沸点，冷却后，空气可以重新进入，但因为有向下弯曲的长管，空气中的尘埃和微生物不能与溶液接触，使溶液保持无菌状态，溶液可以较长时间不腐败。如果瓶颈破裂，溶液就会很快腐败变质，并有大量微生物出现。实验得到了令人信服的结论：腐败物质中的微生物是空气中的微生物，即“生命来自生命”，生源论（Biogenesis）取得了胜利。鹅颈烧瓶实验也促使巴斯德创造了一种有效的灭菌方法——巴氏灭菌法，即利用较低的温度既杀死病菌又保持物品中营养物质风味不变的消毒方法，多用于牛奶的灭菌。
生物学研究中，由于处理的生物对象及研究目的不同，生物学实验有不同的种类，常用的有以下几种。
（1）定性实验。为判断某一生物对象的性质及其与其他生物对象的关系，判断某一生命物质的成分、结构等所进行的实验。定性实验只是一种初步鉴别的实验方法，若想对生物对象获得深入的认识就必须进行定量实验。
（2）定量实验。其目的是研究某生物对象量的多少或不同生物对象之间量的关系而进行的实验。如血液中葡萄糖浓度的测定，用实时定量PCR测定样品中特定模板数的多少等实验。对于定量实验结果的分析，常常要用到数学的方法。
（3）析因实验。指为了找出引起某种或某些变化的原因而进行的实验。进行实验设计时，通常是将两个或多个因素的各水平交叉分组，一般因素数不超过4，水平数不超过3。它不仅可以检验各因素内部不同水平间有无差异，还可检验两个或多个因素间是否存在交互作用（Interaction）。若因素间存在交互作用，表示各因素不是独立的，一个因素的水平发生变化，会影响其他因素的实验效应；反之，若因素间不存在交互作用，表示各因素是独立的，任一因素的水平发生变化，不会影响其他因素的实验效应。
（4）对照实验。对照原则是生物实验设计中最常用也是最重要的原则，通过设置对照实验，既可排除无关变量的影响，又可增加实验结果的可信度和说服力。没有对照就不能称其为实验。一个实验可包括实验组和对照组，实验组是接受实验变量处理的对象组，所处理的变量就是我们要研究的内容；对照组，也称控制组，是不接受实验变量处理的对象组。按对照的内容和形式上的不同，常用的对照类型有空白对照、自身对照、相互对照、条件对照、配对对照、标准对照、阳性对照、阴性对照、安慰剂对照等9种类型。在设计对照实验时，一定要使反应的条件相同，参与反应物质的量相等，这是实验设计中等量原则的要求。可以说，等量原则与对照实验是相伴而生的，只要是对照性实验，就一定要体现等量原则；否则，会使实验结果失去可比性，从而影响对照的价值。
3.比较方法
比较是根据一定标准在两种或两种以上有某种联系的事物间辨别高下、异同。有横向比较和纵向比较两种类型，横向比较指同类事物的相同属性在某时刻呈现的异同，纵向比较是同一事物的同一属性在不同时刻呈现的异同。
18世纪下半叶，生物学不仅积累了大量分类学材料，而且积累了许多形态学、解剖学、生理学的材料。在这种情况下，仅仅作分类研究已经不够了，需要全面地考察物种的各种性状，分析不同物种之间的差异点和共同点，将它们归并成自然的类群。比较的方法被应用于生物学。运用比较的方法研究生物，是力求从物种之间的类似性找到生物的结构模式、原型甚至某种共同的结构单元。用比较的方法研究生物，越来越深刻地揭示动物和植物结构上的统一性，势必触及各个不同类型生物的起源问题。19世纪中叶，达尔文的进化论战胜了特创论（Creationism）和物种不变论（Theory of species immutability），进化论的胜利又给比较的方法以巨大的影响。早期的比较，还仅仅是静态的共性的比较，在进化论确立后，比较就成为动态的历史的比较。现存的任何一个物种以及生物的任何一种形态，都是长期进化的产物，因而用比较的方法，从历史发展的角度去考察是十分必要的。比较的方法在20世纪有了新的进展，它已经不限于生物体的宏观形态结构比较，而是深入到不同属种蛋白质、核酸等生物大分子化学结构的比较，如不同物种的细胞色素C的化学结构的测定和比较，根据其差异程度可以对物种的亲缘关系给出定量的估计。
法国动物学家居维叶（Georges Cuvier，1769-1832年）是用比较方法研究生物学的着名学者，他在19世纪初创立了生物学新的分支学科——比较解剖学。他提出了比较解剖学中的动物肢体的系统性原则和类比性原则。根据系统性原则，一个动物的各个器官之间有着密切的相互关系，由一部分可以推断另一部分，“牙齿的形状意味着鄂的形状，肩胛骨的形状意味着爪的形状”；根据类比性原则，相似动物各器官的结构和功能有类似之处，根据未知动物的局部结构，参照已知动物，可以推知未知动物的其他器官和功能。如牛、羊等反刍动物有磨碎粗糙植物纤维的牙齿，就有相应的嚼肌、上下颌骨和关节、相应的消化道以及相应的适于抵御和逃避敌害的头部的角和肢体构造；虎、狼等肉食动物则具有与捕捉猎物相应的各种运动、消化方面的构造和机能等。这些观点丰富了比较解剖学的理论，也为古生物学奠定了理论基础。北京猿人再现就是人类学家根据比较解剖学这一原理，从一个头盖骨推断整个猿人的形象。英国生物学家欧文（Richard Owen，1804-1892年）将居维叶的比较解剖学成果进一步推进，提出了同源器官（homologous organ）和同功器官（analogous organ）的概念。
同源器官，如脊椎动物的前肢、鸟的翅膀、蝙蝠的翼手、鲸的胸鳍、狗的前肢以及人的上肢，虽然具有不同的外形，功能也不尽相同，但却有相同的基本结构，都是由肱骨、前臂骨（桡骨、尺骨）、腕骨、掌骨和指骨组成；各部分骨块和动物身体的相对位置相同；从相同的胚胎原基以相似的过程发育而来。同功器官是指在功能上相同，有时形状也相似，但来源和基本结构均不同的器官。例如蝶冀与鸟冀均为飞翔器官，但蝶翼是膜状结构，由皮肤扩展形成，而鸟翼由脊椎动物前肢形成，内有骨骼外有羽毛。又如鱼鳃与陆栖脊椎动物的肺均为呼吸器官，但鱼鳃鳃丝来自外胚层，而肺来自内胚层。
比较解剖学是横向比较方法在生物学研究中的典型应用，而比较胚胎学则是横向比较和纵向比较方法在生物学的联合应用。比较胚胎学是胚胎学的一个分支学科，是在不同的生物间比较它们的个体发育，阐明其发育的共同性和特殊性的科学。比较胚胎学用比较的方法，研究各门类动物胚胎发育过程中形态变化的异同，从而探讨其在系统发生中的相互关系。德籍俄国胚胎学家贝尔（Karl Ernst Von Baer，1792-1876年）是比较胚胎学的主要创始人，他在1827年发表的《论哺乳动物的卵和人类的起源》一书中，首次报道了哺乳动物，如猪、羊、牛、兔、人的卵，并提出卵的构造是一致的；他将个体发育过程总结成四胚层理论，即不同动物体内的相同器官是从相同胚层发育而来的；提出了生物发生律，即高等动物胚胎在发育中要经历与低等动物相似的阶段。
