Со 2-й половины 19 в., после присоединения к России, начался новый этап изучения природы и производительных сил Т. Значительную роль в естественнонаучных исследованиях принадлежала научным учреждениям и обществам России. Во 2-й половине 19 — начале 20 вв. трудами русских учёных А. П. Федченко, В. Ф. Ошанина, Н. А. Северцова, И. В. Мушкетова, Г. Д. Романовского, П. П. Семёнова-Тян-Шанского, Д. Л. Иванова, Г. Е. Грумм-Гржимайло, В. Л. Комарова, С. И. Коржинского, Б. А. и О. А. Федченко, В. И. Липского, Н. Л. Корженевского, Д. И. Мушкетова, Д. В. Наливкина, Н. И. Вавилова и др. заложены современные представления о географии, геологии, климате, флоре и фауне Средней Азии, в том числе Памира. В 1884 издана первая геологическая карта Туркестанского края. Появились первые гидрометеорологические станции в Ходженте (1870), Ура-Тюбе (1873), Пенджикенте (1879) и Мургабе (1892).
Вовлечение Т. в сферу экономических н научных интересов России, несмотря на великодержавную политику царизма, способствовало знакомству местных жителей с более совершенной земледельческой, промышленной и транспортной техникой, различными способами обработки земли, новыми с.-х. культурами (картофель, сахарная свёкла, овёс, томат и др.). Приобщение народов Средней Азии к русской культуре оказало влияние на формирование местной просветительской, научной и технической мысли 19 — начала 20 вв. (Ахмад Дониш, Ходжи Халифа, Ходжи Юсуф, Якуби Фаранг и др.).
Развитие естественных и технических наук после Октябрьской революции (довоенный период). После установления Советской власти началось систематическое исследование природных богатств и производительных сил Т. Территория Т. изучалась экспедициями: Н. Л. Корженевского (1923); Среднеазиатского государственного университета (САГУ, с 1927); Таджикской комплексной (1932—38; с 1933 — Таджикско-Памирская; с 1936 — Среднеазиатская) под руководством Н. П. Горбунова. А. Е. Ферсмана, Д. В. Наливкина, Д. И. Щербакова, А. П. Марковского (геология, геохимия), К. К. Маркова (геоморфология), И. Г. Дорофеева (гляциология, топография), Н. В. Крыленко (альпинизм) и др.; гляциологической (1932—33, по программе Международного полярного года) и др. Для изучения географии Т. важное значение имели работы Н. И. Вавилова и В. Л. Комарова. С 1928 медицинские экспедиции под руководством Е. Н. Павловского и др. изучали краевую инфекционную и паразитарную патологию. В 1929 был разработан 5-летний план почвенного и геоботанического исследования Т., осуществленный сотрудниками института почвоведения САГУ под руководством Н. А. Димо, А. Н. Розанова, М. В. Культиасова.
В 20-е гг. организованы Душанбинская гидрометеорологическая станция, Опытная станция Всесоюзного института растениеводства (с 1931 — Таджикская государственная селекционная опытная станция), таджикский филиал Центральной селекционной станции Всесоюзного НИИ по хлопководству (Союз НИХИ) и др. В 1932 учреждена Таджикская база АН СССР — первое комплексное научное учреждение Т. В 1932 в Душанбе основана Таджикская астрономическая обсерватория (ТАО). В 1933 в Ленинграде проведена конференция по изучению производительных сил Т., на которой обсуждались задачи научно-исследовательской работы в области хлопководства (особенно тонковолокнистого), ирригационного (сооружение Вахшской системы) и дорожного строительства, богарного земледелия и др. В 1933 создано Управление гидрометеорологической службы республики и Бюро погоды. Значительно расширилась сеть гидрометеорологических станций, особенно в высокогорных районах (первая, на леднике Федченко, начала работу в 1933). В 1934 на Памире экспедицией САГУ под руководством П. А. Баранова и И. А. Райковой была организована сеть стационаров, на базе которых возникли Памирская биологическая станция в Чечекты (1938), Ботанический сад в Хороге под руководством А. В. Гурского (1940) и др. В 30-е гг. созданы: Варзобская горно-ботаническая станция: при содействии Н. И. Вавилова — Курган-Тюбинская хлопко-люцерновая селекционно-опытная станция Союз НИХИ; Вахшская почвенно-мелиоративная станция под руководством И. Н. Антипова-Каратаева; по инициативе Е. Н. Павловского — Душанбинская паразитологическая станция (с 1941 — институт зоологии и паразитологии); институты физических методов лечения, туберкулёза, тропикологии, санитарно-бактериологический; республиканские станции животноводства и др. В 1938 организовано Таджикское геологическое управление; в 1940 — сейсмическая станция в Душанбе.